Mechanizmy różnicowe o ograniczonym poślizgu: idea stosowania - część 1

Mechanizm różnicowy był już omawiany na naszej stronie dość dokładnie. Wiemy, że jest on niezbędny do tego, aby koła mogły obracać się z różnymi prędkościami obrotowymi. Jest to rewelacyjny wynalazek, ale sposób w jaki przekazuje moment obrotowy na koła w wielu sytuacjach po prostu się nie sprawdza. Lekarstwem są mechanizmy różnicowe o ograniczonym poślizgu.

Standardowy mechanizm różnicowy nazywany jest otwartym mechanizmem różnicowym. Jego budowa oraz działanie były już przeze mnie opisywane. Aby jednak dokładnie zrozumieć ideę działania mechanizmów różnicowych o ograniczonym poślizgu, trzeba zrozumieć, w jaki sposób standardowo jest rozdzielany moment obrotowy. Kluczowym jest fakt, że przekazywany jest on zawsze po równo na każdą z półosi.

Otwarty mechanizm różnicowy jest tak skonstruowany, że niemożliwym jest fizycznie, aby moment obrotowy mógł być rozdzielany w innych proporcjach. Służy on mimo to do różnicowania prędkości obrotowych kół.

Zależność pomiędzy nimi jest następująca: M0 = M1 + M2, oraz M2 – M1 = Mn . Gdzie za M0 rozumiemy moment wejściowy, czyli taki, jaki mówiąc kolokwialnie otrzymuje dyferencjał. M1 i M2 to momenty trafiające na lewą i prawą półoś, a Mn to niewielki moment wynikający z tarcia wewnętrznego pomiędzy kołami zębatymi.

Krótko jeszcze na temat momentu obrotowego dostarczanego od silnika. Należy pamiętać, że silnik generuje zawsze tyle momentu, ile aktualnie go potrzeba na pokonanie oporów pracy, którą chcemy wykonać. Jeśli więc koła samochodu wiszą w powietrzu, a silnik jest wkręcany powiedzmy na 5 tys. obr./min. przy których charakteryzuje się momentem obrotowym 250 Nm, to wcale nie możemy powiedzieć, że właśnie tyle jest aktualnie przekazywane na koła.

Taka wartość momentu może być przekazywana, jeśli zajdzie taka potrzeba, gdy opory ruchu wywołane m.in. siłą tarcia będą na tyle duże, aby potrzebny był taki moment.

Wracając więc do mechanizmu różnicowego i tego, w jaki sposób rozdziela on moment na koła, przeanalizujmy sytuację, w które jedno koło stoi na lodzie (bardzo niski współczynnik tarcia), a drugie na asfalcie (wysoki współczynnik tarcia). Silnik generuje moment, który rozdzielany jest po równo na 1 i 2 półoś.

Po chwili pierwsza półoś, której koło stoi na lodzie, osiąga moment graniczny, dzięki któremu koło zaczyna się obracać, zrywa przyczepność i tym samym ślizga się po lodzie. Mówiąc najprościej, koło "stwierdza", że nie potrzebuje więcej momentu, więc silnik więcej go nie generuje, bo nie ma po prostu większych oporów.

Jak wiemy, moment rozdzielany jest po równo na obie półosie, więc na drugie koło stojące na asfalcie trafia dokładnie tyle samo momentu co na pierwsze. To pierwsze, jako że jest na lodzie, otrzymuje jednak nie wiele momentu, więc tyle samo dostanie także to drugie. To będzie jednak o wiele za mało, aby nim ruszyć.

Całkowity więc moment obrotowy jaki będzie trafiał do mechanizmu różnicowego będzie wynosił: M0 = M1 + M1 + Mn. M1 jest w tej sytuacji bardzo mały, Mn również. Jak zatem zwiększyć wartość M0? Co zrobić żeby na koła był przekazywany jak największy moment w takiej sytuacji? Należy zwiększyć wartość Mn – moment, który jest generowany od wewnętrznych sił tarcia w mechanizmie różnicowym.

Taka jest właśnie idea stosowania mechanizmów różnicowych o ograniczonym poślizgu zwanych też LSD (Limited Slip Differential) lub po prostu w języku polskim szperami, od niemieckiego terminu Sperrdifferenzial. Dzięki wewnętrznym oporom jakie w nich występują są one w stanie wygenerować nazwijmy to "swój wewnętrzny moment".

Im większy on będzie, to tym więcej momentu silnik przekaże na koła. Oczywiście trzeba również pamiętać o tym, że najlepiej, jeśli wspomniany "moment wewnętrzny" generowany jest przez szperę tylko wtedy, kiedy zachodzi taka potrzeba. W przypadku normalnej jazdy, ten dodatkowy moment jest niepotrzebny.

Inną metodą zwiększenia momentu obrotowego przekazywanego na koła w przypadku otwartego mechanizmu różnicowego oraz samochodów z napędem na 4 koła jest użycie hamulców. Naciskając jednocześnie pedał gazu oraz z wyczuciem pedał hamulca jesteśmy w stanie sztucznie wytworzyć dodatkowy opór. Taka technika może przydać się np. wtedy, kiedy zakopiemy się autem, albo próbujemy wyjść z opresji gdzie jedno z napędzanych kół zawisło nam w powietrzu.

W następnej części zajmę się opisem rodzajów szper.