Co to jest szpera? Wyjaśniamy działanie mechanizmu, który ułatwia "latanie bokiem"

Szperą, czyli mechanizmem różnicowym o ograniczonym poślizgu wewnętrznym (LSD), nazywa się urządzenia i konstrukcje mające na celu blokowanie, czyli ograniczające naturalne działanie klasycznego mechanizmu różnicowego. Często tę nazwę stosuje się także do mechanizmów różnicowych o takiej budowie, która już sama w sobie powoduje częściowe samoblokowanie. Brzmi, jak coś skomplikowanego? Wbrew pozorom nie jest.

Początkowo słowem szpera określało się płytkowe mechanizmy spinające dyferencjał, tj. ograniczające wzajemny poślizg kół jednej osi lub obu osi względem siebie. Takie konstrukcje stosowano głównie w motorsporcie. Później pojawiły się inne rozwiązania, m.in. ze sprzęgłem wielopłytkowym (często zwane LSD), a także mechanizmy różnicowe o innej konstrukcji, np. torsen. O szperach elektronicznych mówi się wtedy, gdy kontrola trakcji jest skalibrowana tak, by częściowo blokować mechanizm różnicowy poprzez uruchamianie hamulców. Tu jednak określenie szpera przyjmuje się tylko umownie - z reguły wyłącznie marketingowo.

Szpery pomagają przenosić moment obrotowy na koła w samochodach o dużej mocy. Przy klasycznym, otwartym dyferencjale, wystarczy uślizg jednego z kół, by drugie w takim samym stopniu przestawało przenosić moment na podłoże. Warto pamiętać, że stożkowy mechanizm różnicowy stosowany powszechnie w wielu samochodach, zawsze rozdziela moment obrotowy po równo na obie strony. Jeżeli jedno z kół ma zdolność do przeniesienia tylko 20 Nm momentu w wyniku niskiej przyczepności, to drugie, nawet jeżeli ma bardzo dużą przyczepność, także przenosi tylko 20 Nm momentu.

Szpera ma za zadanie ograniczyć takie właśnie działanie. O ile podczas ruszania na wprost nie ma ona aż takiego znaczenia, o tyle w zakręcie wręcz przeciwnie. Koło po wewnętrznej stronie zawsze jest odciążone, przez co jego przyczepność jest niska. To z kolei powoduje spadek zdolności do przenoszenia momentu przez koło po zewnętrznej stronie łuku. Tym samym auto traci możliwość przyspieszania w zakręcie, np. na jego wyjściu do czasu, gdy w wyniku wyprostowania auta nie wyrównają się siły (masy) dociskające oba koła.

Dzięki szperze samochód w zakręcie może nie tylko sprawniej przyspieszać, ponieważ redukowana jest podsterowność. Z otwartym mechanizmem różnicowym wewnętrzne koło w łuku bezradnie się ślizga, a zewnętrzne niewiele mu pomaga. Szpera powoduje, że zewnętrzne koło ma większą zdolność do przenoszenia momentu, a mocniej obciążone przez dynamiczny rozkład masy, może w pewnym sensie "dokręcić" auto do środka zakrętu.

Właśnie dlatego dzięki szperom stosowanym na osi napędzanej samochody przednionapędowe sprawniej skręcają, a nawet potrafią uzyskać charakterystykę delikatnie nadsterowną, natomiast samochody tylnonapędowe mają dużą tendencję do nadsterowności. Z jednej strony, z punktu widzenia bezpieczeństwa nie jest to pożądane, dlatego też szper nie stosuje się w zwykłych autach drogowych o niedużej mocy. Natomiast jest to zjawisko bardzo pożądane w autach sportowych i o dużej mocy.

Dzięki większej tendencji do nadsterowności kierowca ma większą kontrolę nad zachowaniem samochodu, który jednocześnie staje się bardziej przewidywalny. Także elektronika odpowiedzialna za układ ESP może sprawniej działać. W aucie ze szperą, z napędem na tylną oś, wyraźnie zmniejsza się tendencja do podsterowności.

Warto jeszcze wspomnieć o efekcie, jaki powoduje mocna szpera na przedniej osi przednionapędowego auta. Kiedy samochód wchodzi w ciasny łuk, a kierowca wciśnie gaz, spowoduje to zadziałanie szpery, ale także w konsekwencji układ kierowniczy będzie dążył do wyprostowania kół. Jest to wynikiem częściowego wyrównania prędkości obrotowych na przedniej osi, co zmniejsza sterowność. Dlatego w praktyce trzeba dość mocno trzymać kierownicę.

Ponadto właśnie z tego powodu w autach terenowych, nawet w bardzo trudnych warunkach, niezmiernie rzadko włącza się przednią blokadę mechanizmu różnicowego. Jej włączenie powoduje niemal całkowity brak możliwości skręcania, a więc można jechać tylko na wprost.

Ponieważ w samochodzie tylnonapędowym do wrzucenia auta w poślizg potrzebny jest albo dynamiczny transfer masy, albo pewna nadmierna dawka momentu obrotowego na tylne koła, by zerwać ich przyczepność. Jeżeli dyferencjał nie jest wyposażony w szperę, wówczas po dodaniu gazu w poślizg wpada tylko wewnętrzne koło w zakręcie, co, zamiast powodować nadsterowność, nie zmienia niczego w zachowaniu samochodu lub wręcz powoduje większą podsterowność.

W samochodach terenowych często stosuje się szpery (LSD) w tylnym mechanizmie różnicowym w celu poprawienia trakcji na mało przyczepnym podłożu. Niestety żadna szpera nie działa skutecznie, gdy jedno z kół całkowicie traci przyczepność, a to nierzadko ma miejsce właśnie w jeździe terenowej. Wówczas na koło o dobrej przyczepności nie trafia wystarczająca porcja momentu, by samochód ruszył z miejsca. Dlatego tylko pełna blokada dyferencjału zapewnia zdolność do przenoszenia napędu w trudnym terenie i w sytuacji, gdy jedno z kół straci przyczepność.

Przy w pełni zablokowanym mechanizmie różnicowym mamy sytuację, jak gdyby w ogólne nie było dyferencjału. Dzięki temu, na koło o większej przyczepności trafia więcej momentu obrotowego, tj. tyle, ile nie trafia na koło o mniejszej przyczepności. Tym samym, dzięki blokadzie osiowego mechanizmu różnicowego, gdy jedno koło całkowicie traci przyczepność (trafia na nie 0 Nm), wówczas na koło mające przyczepność trafia cały (100 proc.) moment obrotowy, jaki jest ono zdolne przenieść.