Diferenciál (automobil)

Diferenciál je prevodový mechanizmus s dvoma stupňami voľnosti, ktorý automaticky rozdeľuje otáčky a krútiaci moment a tým aj výkon motora na jednotlivé výstupné hriadele. Patrí medzi rozdeľovacie prevodovky. Diferenciál, ktorý rozdeľuje výkon medzi dve nápravy vozidla sa nazýva medzinápravový, diferenciál ktorý rozdeľuje výkon medzi dve poloosi (ukončené kolesami) rovnakej nápravy sa nazýva nápravový. Principiálne však oba pracujú rovnako.

Základné rozdelenie

Diferenciály sa rozdeľujú na tieto tri základné skupiny:

samozverné (=samosvorné, samozáverové) – sú konštruované tak, že pri priamej jazde sa uzávierka diferenciálu uvedie do činnosti samočinne
čiastočne samozverné (=čiastočne samosvorné, čiastočne samozáverové) – u týchto pri všetkých spôsoboch jazdy diferenciál pracuje ako nesamozverný, ale pri "zacítení" poklesu zaťaženia na jednej z dvoch polosí (čiže ak sa jedno koleso začne prešmykovať) vzniká napätie a zároveň aj trenie medzi jeho závitovkovými ozubeniami, následkom čoho sa satelity pribrzďujú (vlastná uhlová rýchlosť satelitov okolo osí čapov sa znižuje), ale nikdy sa úplne nezastavia (preto sú čiastočne samosvorné)
nesamozverné (=nesamosvorné, nesamozáverové) – tieto ak sú vybavené uzávierkou, tak sa tá v prípade, ak je to potrebné uvedie do činnosti vplyvom vonkajšieho podnetu vodiča cez mechanizmus, ale nie samočinne.

Samozverné sa ďalej delia na:

s funkčnou závislosťou od zaťaženia
s pružinou
kombinácia možností – s funkčnou závislosťou od zaťaženia s predpätými trecími spojkami.

Nesamozverné sa ďalej delia na:

čelné – sú tvorené planétovou prevodovkou s ozubenými kolesami s čelným ozubením.
- s vonkajšou klietkou satelitov
- s vnútornou klietkou satelitov
kužeľové sú tvorené planétovou prevodovkou s kužeľovými ozubenými kolesami, tak ako je to zobrazené na obrázku.

Otáčky a momenty na výstupe

Rozdelenie otáčok a momentov medzi výstupné hriadele sa deje na základe aktuálneho zaťaženia a konštrukcie diferenciálu. Rôzne zaťaženie výstupných hriadeľov môže byť spôsobené napríklad:

rôznymi adhéznymi podmienkami (jedno koleso preklzuje)
rôznou dĺžkou dráhy kolies pri jazde v zákrute, kedy vnútorné koleso je pribrzďované a vonkajšie poháňané na vyššie otáčky
rôznym zaťažením náprav.

Funkcia jednoduchého diferenciálu

Na obrázku je schematicky nakreslený nesamosvorný kužeľový diferenciál s jedným satelitom bez uzávierky. Skladá sa z nasledovných častí:

unášač s čelným ozubeným kolesom na ktoré sa privádza vstupný výkon – modrá časť v tvare klietky
satelit s kužeľovým ozubením – zelená časť
planétové koleso s kužeľovým ozubením pre jeden výstup (napr. ľavý) – červená časť
planétové koleso s kužeľovým ozubením pre druhý výstup (napr. pravý) – žltá časť.

Krútiaci moment privedený na unášač sa na čape satelitu prejaví priamo úmernou radiálnou silou. Satelit zaberá súčasne do dvoch ozubených kolies, pričom vzdialenosť od bodu záberu po os čapu satelitu je rovnaká. Preto sa radiálna sila ktorou pôsobí čap na satelit prejaví rovnako veľkými reakčnými silami s polovičnou veľkosťou prenašanými ozubeniami. Výstupný krútiaci moment na planétových kolesách vľavo aj vpravo je opäť priamo úmerný sile v ozubení a je teda rovnaký.

V prípade, že na oba výstupné hriadele pôsobí rovnaký odpor, napríklad pri jazde v priamom smere na rovnom povrchu s rovnakými podmienkami, satelit sa nebude na čape otáčať a ľavé aj pravé planétové koleso sa budú otáčať rovnakými otáčkami ako klietka unášača. Od pomeru veľkosti odporu a hnacej sily bude závisieť, či sa bude diferenciál (ako celok) otáčať rovnomerne, zrýchľovať alebo spomaľovať.
V prípade, že jedno z kolies (napríklad ľavé v ľavotočivej zákrute) je viac pribrzďované, otáčky ľavého planétového kolesa sú nižšie ako otáčky unášača. Následkom toho sa začne satelit otáčať okolo čapu unášača a o rovnaký rozdiel otáčok prinúti pravé planétové koleso otáčať sa rýchlejšie. Silová rovnováha na satelite sa ale nezmení a krútiaci moment na oboch kolesách bude rovnaký.
V extrémnom prípade, ak ľavé planétové koleso koleso stojí a na pravé nepôsobí žiadna reakčná sila, otáčky pravého planétového kolesa budú 2 x vyššie ako otáčky unášača.

Jednoduchý čelný diferenciál

Ak sa namiesto kužeľového súkolesia v diferenciáli použijú čelné ozubené kolesá, diferenciál môže byť konštrukčne riešený tak, že satelit zaberá naraz do planétového a korunového kolesa s rôznymi priemermi. Rovnováha síl na kolese satelitu je rovnaká, ako vo vyššie popísanom texte, ale vpyvom rozdielnych ramien síl (menší polomer planétového kolesa a väčší polomer korunového kolesa) je výstupný krútiaci moment na korunovom kolese väčší ako na planétovom. Táto vlastnosť sa využíva pri medzinápravových diferenciáloch, ak je potrebné prenášať krútiaci moment nerovnomerne podľa zaťaženia jednotlivých náprav.

Vlastnosti jednoduchého diferenciálu

Z vyššie popísaného princípu práce vyplývajú nasledovné vlastnosti jednoduchého diferenciálu:

má dobrú mechanickú účinnosť, pretože tok výkonu je jednoduchý a ozubenie sa odvaľuje iba pri vyrovnávaní otáčok
nie je schopný zmeniť pomer krútiacich momentov na jendotlivých výstupných hriadeľoch.

Z druhej menovanej vlastnosti vyplýva, že ak sa jedno koleso dostane na povrch (napríklad ľad) na ktorom je schopné preniesť iba malú časť krútiaceho moment na vozovku, rovnako sa zníži schopnosť prenosu momentu aj druhého kolesa ktoré môže byť na suchom povrchu. To vedie k spomaľovaniu kolesa na vhodnom povrchu a preklzovaniu resp. pretáčaniu kolesa na problemtickom povrchu, čo ešte viac zhorší situáciu.

Tento nedostatok jednoduchého diferenciálu je možné odstrániť konštrukčnými úpravami: umožnením zaradenia uzávierky, alebo zabezpečením zvernosti.

Symetrický čelný diferenciál s vonkajším ozubením

Pri tomto type oba planetové kolesá majú vonkajšie čelné ozubenie s rovnakými rozstupovými priemermi ozubenia a namiesto každého jedného satelitu (ako pri kužeľových) je umiestnený jeden pár satelitov, z ktorého každý zaberá do iného z planetových kolies a oba z páru satelitov (na určitej časti šírky svojho ozubenia) súčasne zaberajú navzájom do seba. Pár satelitov je potrebný preto, nakoľko os rotácie každého čelného satelitu je rovnobežne s hlavnou osou rotácie diferenciálu (pri kužeľových je os rotácie satelitu kolmo) a pomocu jedného satelitu by sa nedosiahlo opačného zmyslu otáčania sa planetových kolies diferenciálu pri rotácii satelitov okolo vlasnej osi (ako u kužeľových). Toto sa dá dosiahnuť len aspoň jedným párom satelitov, ale kvôli vyváženiu sa používajú aspoň dva páry, čiže 4 satelity (namiesto dvoch u kužeľových). Z tohoto vyplýva, že sú z konštrukčného hľadiska menej kompaktné ako kužeľové, ale vylučujú vznik axiálnych síl v ozubení, ktoré sú v kuželovom súkolesí vždy prítomné. Týmto sa znižujú aj požiadavky na presnosť pri montáži, nehovoriac o ich väčšej životnosti, nakoľko aj pri značnom opotrebení takéhoto diferenciálu (opotrebenie ozubenia, vznik axiálnej a radiálnej vôle) ešte je dlhú dobu schopný svojej funkcie, pričom kuželové nie, pretože už pri vzniku malej vôle v jeho súkolesí, sa pri zaťažení tieto kuželové kolesá od seba odtlačia vplyvom axiálnych síl. Tým sa tieto vôle prejavia ako vôle medzi ozubením a nakoľko ide o kuželové ozubenie (nesymetrické, nerovnomerné medzery zubov) môže viesť k hlučnosti až k zaseknutiu a poškodeniu ozubenia. Kvôli svojej malej kompaktnosti sa však čelné diferenciály využívajú menej často. Najviac boli využívané v nákladných automobiloch Tatra a teraz firmou Alfa Romeo (v podobe čiastočne samosvorného diferenciálu).

Symetrický čelný diferenciál s vnútornou klietkou satelitov

Ide z hľadiska funkcie o podobný diferenciál než čelný s vonkajším ozubením, ale pri tomto type majú planetové kolesá vnútorné ozubenie a satelity (taktiež v pároch) sú umiestnené vo vnútri diferenciálu medzi planetovými kolesami na klietke satelitov. Tu unášací mechanizmus netvorí klasická vonkajšia, ale vnútorná klietka satelitov. Je to kvôli tomu, pretože tu by bola klasická klietka, ktorá je u ostatných diferenciáloch, konštrukčne neaplikovateľná (vo vnútri je obmedzený priestor). Táto skutočnosť je však jednou z jeho najväčších výhod, pretože nezaberá veľký priestor a je tiež schopná prenášať potrebný krútiaci moment. Pri ostatných diferenciáloch je vonkajšia klietka "zbytočne, ale pritom nutne predimenzovaná". Myslí sa tým to, že aj keď je reálne schopná preniesť ovaľa väčší krútiaci moment než si to daný diferenciál vyžaduje (2 až 5 x väčší) nemôže sa nadimenzovať na menšie rozmery, pretože to nedovoľujú rozmery ozubených kolies vo vnútri diferenciálu. Podľa vyššie uvedených skutočností takýto diferenciál vlastne spája obidve najväčšie výhody kužeľových a čelných diferencálov (kompaktnosť a vylúčenie axiálnych síl), nehovoriac o vnútornom zábere ozubenia satelitu do planetového kolesa (väčší prenos síl v ozubení) a preto je predpoklad, že v budúcnosti bude mať väčšie uplatnenie než čelné s vonkajší ozubením.

Samozverný diferenciál

Samozverný diferenciál je konštrukčne riešený tak, aby bolo možné vzájomné brzdenie vyrovnávacích pohybov vnútri diferenciálu s využitím trecích síl. Príkladom takého riešenia je zaradenie trecích spojok ktoré spájajú trecíe kotúče upevnené na výstupných hriadeľoch s trecími kotučmi spojenými s unášačom. Trecie spojky môžu byť zvierané predpätou pružinou, v tom prípade je trecia sila konštantná, alebo rozvieraním vnútorných pohyblivých súčastí diferenciálu, čo umožňuje aby bolo trenie závislé od aktuálneho zaťaženia diferenciálu. Toto brzdenie vytvára brzdný moment, ktorý sa odoberá z jedného výstupného hriadeľa a pripočítava k druhému výstupnému hriadeľu. Takto aj v prípade, že jedno koleso úplne prešmykuje, je možné na koleso na dobrom povrchu preniesť časť krútiaceho momentu a nepriaznivú situáciu prekonať.

Zvernosť diferenciálu

Veľkosť brzdného momentu, ktorý môže diferenciál vytvoriť je charakterizovaný zvernosťou. Označuje sa Z a udáva sa v percentách:

$Z={\frac {M_{b}}{M}}.100$

Z – zvernosť diferenciálu (%)
M_b – brzdný moment (N.m)
M – vstupný moment (N.m)

Zvernosť diferenciálu môže byť konštantná, v prípade, ak sú trecie sily závislé výhradne silami od zaťaženia, alebo môže s klesajúcim zaťažením narastať, ak sú trecie sily vyvolané pružinami.

Nápravový diferenciál so zvernosťou 20 % pri danom zaťažení prenesie na prekĺzavajúce koleso 40 % (50 % – Z/2) a na koleso na dobrom povrchu 60 % (50 % + Z/2) vstupného krútiaceho momentu.

Diferenciál so zaradenou uzávierkou

Uzávierka diferenciálu odoberá diferenciálu jeden stupeň voľnosti. Môže to byť riešené niekoľkými spôsobmi: zablokuje sa satelit (na obrázku zelený) v pevnej polohe oproti unášaču (modrý), spojí sa jedno planétové koleso s unášačom, alebo sa sa spoja obe planétové kolesá. Diferenciál potom predstavuje tuhý celok a ľavé aj pravé planétové koleso sa môžu otáčať iba rovnakými otáčkami. Tým sa zabezpečuje prenos krútiaceho momentu motora k obom nápravam (v prípade mezinápravového diferenciálu) alebo k obom kolesám poháňanej nápravy. Koleso so zníženou adhéziou sa síce ďalej pretáča, súčasne s ním však zaberá druhé koleso na tej istej náprave alebo aj druhá náprava.

Využitie diferenciálov

Klasické terénne automobily majú predný, zadný a mezinápravový diferenciál. Je totiž nutné nielen vyrovnávať otáčky kolies na jednotlivých nápravách, ale tiež zrovnávať rozdelenie hnacej sily medzi obidve nápravy.

Uzávierka diferenciálu sa aktivuje spínačom na prístrojovej doske, pákou prídavnej prevodovky alebo automaticky. Väčšinou sa sáma vypne pri dosiahnutí určitej rýchlosti, asi pri 20 km/h, aby nedošlo k poškodeniu rozvodov, prípadne havárii. Uzávierkou diferenciálu zadnej nápravy a medzinápravovým je vybavená väčšina off-roadov, uzavierateľný predný diferenciál majú až skutočné terénne automobily.

Zdroje

Ikrinský Alexander: Mechanické a hydraulické prevody. Vydavateľstvo STU v Bratislave. 1994.
Čóri Marián, Peťov: Neštandardné prevodové systémy, Vydavateľstvo SPU Nitra. 2008
Čóri Marián, prof. Ing. Žikla Anton, CSc.: Spur-gear differential with internal satellite cage, Vydavateľstvo SPU Nitra. 2007