Diferenciál, samosvorný diferenciál Torsen a diferenciál s obmedzenou svornosťou LSD

Diferenciál je prevodové ústrojenstvo, ktoré samočinne umožňuje vykonávať rozdielne otáčky ľavého a pravého hnacieho kolesa, respektíve prednej a zadnej nápravy motorového vozidla s pohonom oboch náprav. Uplatňuje sa v prípade, ak vykonávajú obidve kolesá alebo nápravy rozdielnu dráhu, napr. jazda v zákrute alebo jazda na klzkej ceste. Diferenciál tiež zabezpečuje rovnomerne rozdelenie krútiaceho momentu na obidve kolesá.

Fungovanie diferenciálu pri rôznych otáčkach výstupných hriadeľov napr. pri prejazde zákrutou:

Pri jazde v zákrute sa vnútorné koleso odvaľuje po kratšej dráhe ako vonkajšie. Hriadeľ každého kolesa je poháňaný cez diferenciál (a to postupne cez klietku diferenciálu, čap satelitov, satelity a planétové kolesá). Satelity sa točia s klietkou diferenciálu, ale tentoraz sa súčasne točia na čapoch satelitov a tým vyrovnávajú rôzne otáčky ľavého a pravého hnacieho kolesa. Po prejdení zákrutou sa činnosť diferenciálu ukončí, satelity sa na čapoch prestanú otáčať a opäť sa točí len spoločne s klietkou diferenciálu.

Fungovanie diferenciálu pri rovnakých otáčkach výstupných hriadeľov napr. za jazdy po rovnej ceste:

Pri priamej jazde sú otáčky oboch hnacích hriadeľov rovnaké. Otáčky aj hnací moment sa prenáša z pastorku na hnacie koleso stáleho prevodu, pevne spojené s klietkou diferenciálu, s ktorou sa spoločne otáčajú. Otáčky sa prenášajú cez satelity na planétové kolesá. Satelity sa točia spolu s klietkou, ale neotáčajú sa na svojich čapoch. Planétové kolesá majú rovnaké otáčky ako klietka diferenciálu a krútiaci (hnací) moment sa rozdeľuje rovnomerne na planétová kolesá cez hnacie hriadele na kolesá vozidla.

Uzávierka diferenciálu

Za normálneho fungovania spočíva funkcia diferenciálu v rozdeľovaní privádzaného krútiaceho momentu na dva rovnako veľké výstupné krútiace momenty, pre ľavé a pravé koleso. Nezávisle na tom, či sú otáčky pravého a ľavého kolesa  rovnaké alebo rozdielne. Niekedy je však z hľadiska adhézie (priľnavosť kolies k vozovke) dôležité vyradiť diferenciál z funkcie. Napr. ak je vozovka klzká z dôvodu ľadu alebo blata. Uzavretie diferenciálu spočíva zablokovaním centrálnych (planétových) kolies vzhľadom ku klietke, čím sa zabráni otáčaniu satelitov a diferenciál sa musí otáčať ako celok. K zablokovaniu diferenciálu sa napríklad používa presuvná objímka, zubová spojka atď.

Mechanická uzávierka diferenciálu.

Kužeľový diferenciál

Kužeľový diferenciál má vyrovnávacie súkolie vytvorené z kužeľových kolies s priamymi zubami. Nosnú časť celého ústrojenstva tvorí klietka diferenciálu, ktorá je priskrutkovaná na hnané koleso stáleho prevodu – na tanierovom kolese. Hnacia náprava automobilu má dva hnacie hriadele kolies. Hnací hriadeľ je na jednom konci spojený s kolesom vozidla a na druhom konci je pripevnené planétové koleso diferenciálu. Medzi planétovými kolesami sú na čape uložené dve alebo štyri kužeľové ozubené kolesá – satelity.

1 – tanierové koleso, 2 – klietka diferenciálu, 3 – pastorok, 4 – planétové koleso, 5 – satelit

Čelný diferenciál

Čelný diferenciál sa skladá z čelných ozubených kolies. Podobne ako diferenciál kužeľový je tvorený pastorkom a klietkou diferenciálu, ktorá je pripevnená na tanierové koleso. Satelity a centrálne (planétová) kolesá majú čelné ozubenie. Usporiadanie kolies je ale rozdielne. Satelit nie je v zábere s oboma centrálnymi kolesami, ale polovica satelitu zaberá s jedným centrálnym kolesom a druhá polovica s druhým satelitom, ktorý je v zábere s druhým centrálnym kolesom. Diferenciál má dva páry satelitov, ktoré sú vzájomne pootočené o 180 º. Princíp je rovnaký ako pri kužeľovom diferenciále.

Otvorený diferenciál

Otvorený diferenciál je najrozšírenejším typom v súčastných motorových vozidlách. Je tvorený obyčajne klietkou s dvoma voľne otočnými kužeľovými ozubenými kolesami, ktoré zaberajú do ozubených kolies na výstupných hriadeľoch. Celá klietka je poháňaná od prevodovky. Privádzaný krútiaci moment sa tak rozdeľuje na oba výstupy vždy rovným dielom. Otvorený diferenciál nikdy neposkytne jednému výstupu väčší moment než druhému, bez ohľadu na rozdiel ich otáčok, preklzu alebo zaťaženia kolies. Pokiaľ dôjde k zníženiu adhézie jedného kolesa natoľko, že začne preklzávať, zníži sa jeho odpor proti otáčaniu a tým aj privádzaný moment. To má však za následok aj okamžité zníženie momentu o rovnakú hodnotu na druhom nepreklzujúcom kolese. Obe kolesá tak tiahnu menej, jedno síce prešmykuje a točí sa výrazne rýchlejšie, ale momenty a ťažné sily oboch kolies sa naďalej rovnajú. Zníženie ťažnej sily jedného kolesa sa tak prejaví dvojnásobne a celkový ťah autá výrazne poklesne. To je nevýhoda otvoreného diferenciálu.

Samosvorný diferenciál

Vlastnosti diferenciálu sú dané jeho mechanickou účinnosťou, (stratami vznikajúcimi vzájomným pohybom jeho hlavných dielov – ozubených kolies). Bežný súmerný diferenciál s  kužeľovými alebo čelnými kolesami a priamymi zubami má pomerne vysokú účinnosť a môže preto deliť krútiaci moment takmer v pomere 1:1. Aby mohol na jednu stranu prenášať výrazne viac ako 50% privádzaného momentu, musí mať nižšiu účinnosť (resp. vyššiu svornosť). Samosvorné diferenciály sa delia na klasické, samosvorné, diferenciály s obmedzenou svornosťou (tzv. LSD), diferenciál typu Torsen a samosvorný diferenciál s viskóznou spojkou.

Samosvorný diferenciál s obmedzenou svornosťou LSD (Limited Slip Differential)

Každý samosvorný diferenciál vychádza konštrukčne (okrem Torsen) z bežného štandardného kužeľového diferenciálu. Ako je vidieť dole na obrázku, medzi obidva prítlačné kotúče (pressure ring) je umiestnený krížový hriadeľ (pinion), satelity kužeľového prevodu (pinion gear) a samotné centrálne kolesá (side gear) poháňajúce hnacie hriadele. Za každým prítlačným kotúčom je umiestnených niekoľko trecích lamiel (clutch plate), striedavo uchytených napevno ku klietke diferenciálu (vonkajšie) a k centrálnemu kolesu (vnútorné). V okamihu, keď na diferenciál začne pôsobiť sila motora, začne sa celé telo diferenciálu otáčať a s ním aj krížový hriadeľ uložený v drážkach prítlačných kotúčov, ktoré majú trojuholníkový tvar, vďaka ktorému sú vplyvom pôsobiacej sily obidva prítlačné kotúče tlačené od seba proti telu diferenciálu. Takto vzniknutý tlak pôsobí na trecie lamely, ktoré sú týmto pritláčané jedna k druhej. To spôsobí, že poháňané kolesá sú postupne uzamykané dohromady v závislosti na sile dodávanej motorom. Tento jav obmedzuje preklz kolies pri rýchlom prejazde zákrutou a rovnomerne prenáša silu na kolesá pri akcelerácii. Aj v prípade brzdenia poskytuje LSD väčšiu trakciu, menší bočný posun a ľahšie zatáčanie.

Podľa výrobcov máme rôzne typy LSD diferenciálov a všeobecne sú rozdeľované na diferenciály tzv. jednocestné, čiastočne dvojcestné a dvojcestné. Toto označenie reprezentuje konštrukciu (druh) drážky prítlačných kotúčov, v ktorých je uložený krížový hriadeľ kužeľového súkolia diferenciálu. Jednocestným diferenciálom sa rozumie konštrukcia zamykajúca hnané kolesá len v jednom smere, pri akcelerácii. Dvojcestný diferenciál naopak zamyká hnané kolesá v oboch smeroch. Pri akcelerácii a aj deakcelerácii. Čiastočne dvojcestný diferenciál je v podstate rovnaký ako diferenciál dvojcestný s tým rozdielom, že miera uzamknutia kolies je pri deakcelerácií menšia, ako pri akcelerácii. Poskytuje väčšiu stabilitu pri brzdení.

Samosvorný diferenciál typu Torsen

Funkcia tohto diferenciálu využíva vlastnosti závitovkového prevodu, ktorý môže prenášať krútiaci moment zo závitovky na závitovkové koleso, ale nie naopak. U diferenciálu Torsen sú závitovky planétovými kolesami a satelity tvoria tri dvojice závitovkových kolies malého priemeru. Satelity tej istej dvojice sú vzájomne spojené čelnými kolesami s priamymi zubami a každý zaberá s jedným planétovým kolesom. Pri priamej jazde a rovnakej adhézii kolies sa otáča diferenciál ako celok, otáčky klietky a oboch planétových kolies sú rovnaké a na každé koleso sa prenáša rovnaký hnací moment. Ak sa zhorší (zmenší) adhézia jedného kolesa (napr. vplyvom menšieho zaťaženia alebo klzkosti), nemôže sa pretáčať, pretože nie je možný prenos otáčavého pohybu zo satelitov na planétové koleso ako u čelného alebo kužeľového diferenciálu. Vďaka svornému účinku sa ale zväčší podiel hnacieho momentu pripadajúceho na koleso s lepšou adhéziou. Naopak v zákrute ani zvýšená svornosť neobmedzuje vyrovnávaciu činnosť diferenciálu a obidve kolesá sa otáčajú (valia) po ceste otáčkami zodpovedajúcimi ich dráhe. Svornosť, resp. mechanická účinnosť diferenciálu závisí od geometrie závitkovkového ozubenia. Konštrukčné riešenie Torsen sa využíva ako nápravový aj medzinápravový diferenciál. Svorného účinku sa dosahuje trením v skrutkovom ozubení planétových kolies a satelitov.

Samosvorný diferenciál s trecou lamelovou spojkou

Samosvorný diferenciál s lamelovou spojkou, má svorný účinok až 35%, to znamená že zvyšuje podiel krútiaceho (hnacieho) momentu pripadajúci na nepreklzujúce koleso tej istej nápravy o túto hodnotu. Funkciu uzávierky diferenciálu plní lamelová spojka. Jedná sa o viaclamelovú spojku, kde jedna sada lamiel (vonkajšie) je spojená s klietkou diferenciálu a druhá sada (vnútorné) je spojená s centrálnym kolesom. Ak sa lamely pritlačia k sebe, napevno sa tým spoja obidva hriadele dohromady a diferenciál je uzavretý. Lamely sú k sebe stlačované hydraulicky. Pri strate adhézie na jednej z náprav dôjde k pretočeniu hriadeľov voči sebe, je zvýšený tlak v hydraulickom okruhu stláčacím lamely k sebe, a tým dôjde k čiastočnému alebo úplnému zablokovaniu diferenciálu. Tlak je vytváraný axiálnym čerpadlom. Veľkosť tlaku je regulovaná elektronikou podľa aktuálnych podmienok.

Medzinápravový diferenciál

Medzinápravový diferenciál sa používa v automobiloch s pohonom všetkých kolies. Tieto automobily majú k tomu ešte dva diferenciály na každej náprave. Pohon druhej nápravy môže byť zapínaný manuálne alebo je permanentný. V dnešnej dobe je väčšinou využívaný spôsob samočinného zapínania, za pomoci viskóznej spojky. Medzinápravový diferenciál býva konštruovaný symetrický alebo častejšie a vhodnejšie nesymetrický, kedy sa pomer prenášaných momentov rozdelí v pomere zaťaženie náprav. Zvýšenie svornosti pri medzinápravových diferenciáloch sa rieši niekoľkými spôsobmi. Okrem závitovkového (Torsen) diferenciálu sa používa aj spomínaný diferenciál s viskóznou spojkou alebo kombinácia viskóznej spojky s hydraulickým brzdením – spojka Haldex. Spojka Haldex je vybavená elektronickým systémom, ktorý napomáha rýchlosti jej funkcie. Nejde o diferenciál v pravom slova zmysle, ale o spojku, ktorá na základe rozdielu otáčok kolies prednej a zadnej nápravy pripája k trvalému pohonu prednej nápravy aj pohon nápravy zadnej s možnosťou určitého preklzu.