Nowy, mniejszy i lżejszy, kompaktowy mechanizm różnicowy

Firma Schaeffler, będąca dostawcą dla przemysłu samochodowego, skonstruowała nowy mechanizm różnicowy wykorzystując koncepcję znaną od dziesięcioleci. Zaowocowało to znacznym zmniejszeniem masy i rozmiarów mechanizmu, a to dopiero początek korzyści.

Dyferencjał, bo tak inaczej można nazwać ten mechanizm, stosuje się po to, aby umożliwić kołom na jednej osi uzyskiwanie różnych prędkości obrotowych. Ma to oczywiście kolosalne znaczenie podczas każdorazowego poruszania się samochodu po łuku, gdzie koła lewe i prawe pokonują wówczas różną drogę.

Typowa konstrukcja większości mechanizmów różnicowych jest właściwie taka sama lub bardzo zbliżona. Oparta jest ona na kołach stożkowych. Rozwiązanie firmy Schaeffler wykorzystuje za to koła walcowe. W miejscu używanych do tej pory kół koronowych zastosowano koła zębate z zazębieniem osiowym w formie kół planetarnych. Dzięki umieszczeniu ich w jednej płaszczyźnie znacznie ograniczono powierzchnię potrzebną do montażu.

Wielu z Was od razu zauważy, że opisywana konstrukcja nie jest niczym nowym i będzie miała rację. Jak już wspomniałem w pierwszym zdaniu, Schaeffler wykorzystało koncepcję znaną od wielu lat. Mechanizmy różnicowe oparte na przekładni planetarnej z kołami walcowymi były bowiem stosowane już w pojazdach z okresu międzywojennego.

Niestety ówczesne możliwości materiałowe i technologiczne wymuszały duże gabaryty i znaczną masę tych mechanizmów. Dlatego też można było je znaleźć głównie w dużych samochodach terenowych, użytkowych lub ciężarowych jak chociażby Tatra. Goszczą one również w międzyosiowych mechanizmach różnicowych – dzięki odpowiedniemu doborowi kół zębatych, moment może być rozdzielany w różnych proporcjach na każdą z osi.

W mechanizmie różnicowym z przekładnią planetarną z kołami walcowymi zadania stożkowego satelita spełnia para kół walcowych. Odpowiednikami kół koronowych są z kolei walcowe koła zębate osadzone na końcach półosi napędowych zwane w tym przypadku kołami słonecznymi.

Moment przekazywany jest z głównego koła zębatego bezpośrednio na jarzmo satelitów. Długości zębów satelity oraz ich rozmieszczenie w mechanizmie są dobrane w taki sposób, że częścią długości swoich zębów zazębiają się z jednym z wyjściowych kół słonecznych, a częścią z sąsiadującym satelitą tych samych rozmiarów.

Z kolei ten sąsiadujący satelita zazębia się z drugim z wyjściowych kół słonecznych. Z satelitów moment zatem trafia na koła słoneczne, skąd bezpośrednio jest już przenoszony na półosie.

Sama konstrukcja nie jest zatem niczym innowacyjnym, ale nowoczesne technologie i materiały pozwoliły na zbudowanie w tej formie mechanizmu różnicowego, który jest kompaktowy, lekki, cichy, wydajny i do tego jeszcze bardziej wytrzymały dzięki czemu może przenosić większy moment obrotowy. To oczywiście jest dużą zaletą biorąc pod uwagę fakt nieustannie rosnących wartości tego parametru w jednostkach napędowych.

Co więcej, masa uległa zmniejszeniu o 30 proc. w stosunku do tradycyjnego mechanizmu różnicowego. Jak podaje firma Schaeffler, przy masie typowego dyferencjału rzędu 9 kg ich odpowiednik waży jedynie 6 kg. Cała konstrukcja mieści się w zarysie koła talerzowego przekładni głównej. Dzięki tak kompaktowym wymiarom ograniczono powierzchnię montażu aż o 70 proc. W praktyce oznacza to nawet 90 mm więcej miejsca w skrzyni biegów.

To można wykorzystać np. na większe podwójne sprzęgła lub elementy wyposażenia napędu hybrydowego. Wąska budowa mechanizmu różnicowego umożliwia także montaż nowszych, ograniczających tarcie łożysk, co z kolei przekłada się na mniejsze zużycie paliwa i zmniejszenie emisji CO2.

To jednak nie koniec zalet. W starych mechanizmach różnicowych z kołami walcowymi, które były ogromne i ciężkie, wzajemne tarcie zazębionych kół powodowało częściowe blokowanie się mechanizmu. To oczywiście stanowiło zaletę w przypadku samochodów ciężarowych zwłaszcza na nawierzchniach o słabej przyczepności.

Był to jednak niekontrolowany efekt uboczny (inaczej niż w powszechnie znanym mechanizmie różnicowym o ograniczonym poślizgu typu Torsen, który także wykorzystuje przekładnię planetarną ale nieco innej konstrukcji). W nowym mechanizmie różnicowym firmy Schaeffler tego typu blokada może być zrealizowana w inny sposób.

Wystarczy aby do koła słonecznego mechanizmu różnicowego została przyłożona siła osiowa, która przemieści koło w kierunku obudowy. Między nimi można zamontować płytkę cierną, dzięki której koło słoneczne będzie obracało się z określonym oporem. W ten sposób może być realizowany mechanizm różnicowy z inteligentnym systemem blokującym.

Poza tym mechanizm różnicowy z walcowatymi kołami zębatymi nadaje się lepiej do współpracy z różnego rodzaju innowacyjnymi systemami sterującymi niż standardowa odmiana. Pozwolą one realizować w szerszym zakresie rozdział momentu obrotowego pomiędzy kołami.

Realizacja tego zadania pomiędzy poszczególnymi kołami w sposób elektroniczny eliminuje również konieczność stosowania ciężkich i kosztownych międzyosiowych mechanizmów różnicowych w samochodach z napędem 4x4.

Mechanizmy różnicowe firmy Schaeffler dostępne są w wersji symetrycznej, z kołami słonecznymi o tej samej wielkości i liczbie zębów, oraz w wersji niesymetrycznej z kołami słonecznymi o różnej wielkości i liczbie zębów. Pierwsza z nich jest nieco szersza ale tańsza w produkcji dzięki mniejszemu zróżnicowaniu części. Obydwie odmiany dostępne są zarówno z kołami o zębach prostych jak i skośnych. Shaeffler twierdzi, że mechanizm jest już gotowy do produkcji seryjnej i powinien pojawić się na rynku za ok. 2 lata.