Mechanizm różnicowy

Mechanizm różnicowy (przekładnia różnicowa), potocznie dyferencjał (od słowa dyferencja - dawn. różnica) – przekładnia mechaniczna zębata, wynaleziona w starożytnych Chinach, stosowana od czasów Carla Friedricha Benza w układzie napędowym pojazdów. Mechanizm różnicowy w pojazdach ma za zadanie kompensację różnicy prędkości obrotowej półosi kół osi napędowej podczas pokonywania przez nie torów o różnych długościach, w przypadku pojazdów z napędem na więcej niż jedną oś może występować także dodatkowy centralny (międzyosiowy) mechanizm różnicowy w skrzyni rozdzielczej kompensujący różnicę prędkości obrotowej pomiędzy osiami napędowymi. Zapobiega to wytwarzaniu się zbędnych naprężeń w układzie przeniesienia napędu, które przyczyniają się do szybszego zużycia opon, przekładni, zwiększenia spalania paliwa, oraz mogą prowadzić do ukręcenia półosi. Zjawisko to występuje głównie podczas pokonywania zakrętów, jazdy po nierównym terenie. Most napędowy jest niewątpliwie podzespołem układu napędowego, w skład którego wchodzą ponadto silnik, sprzęgło, skrzynia biegów oraz wał napędowy. Należy go jednak kojarzyć również z rodzajem zawieszenia pojazdu oraz zdolnością do przenoszenia obciążeń wynikających z przewożenia ładunków. Jakie wobec tego most napędowy i jego elementy, pełni funkcje w pojeździe?
Przenosi moment obrotowy do kół jezdnych;
Załamuje przebieg momentu obrotowego pod wymaganym kątem (najczęściej prostym);
Zmienia wielkość momentu i prędkości obrotowej w zależności od potrzeb dzięki zastosowaniu odpowiednich przekładni;
Umożliwia osadzenie kół jezdnych oraz elementów współpracującego z nimi układu hamulcowego;
W niektórych rozwiązaniach umożliwia osadzenie elementów układu kierowniczego;
Przenosi siły pionowe wynikające z ciężaru pojazdu i przewożonego ładunku oraz będące skutkiem najeżdżania kół jezdnych na nierówności drogi;
Przenosi pozostałe siły wynikające z poruszania się pojazdu po łuku drogi lub na pochyłości (siły boczne) oraz siły wynikające z działania układu napędowego i hamulcowego (siły wzdłużne i momenty skręcające);
Mosty napędowe w swej klasycznej postaci występują w samochodach ciężarowych, autobusach i samochodach dostawczych oraz rzadziej w samochodach osobowych z napędem tylnym i zależnym zawieszeniem kół jezdnych. Ich budowa zewnętrzna charakteryzuje się sztywną pochwą stanowiącą trzon konstrukcyjny zamykający w swoim wnętrzu większość mechanizmów. Pochwa sztywnego mostu napędowego podlega obciążeniom wynikającym z ciężaru pojazdu oraz dodatkowym obciążeniom występującym podczas jazdy. Wymaga się zatem od niej dostatecznej wytrzymałości i zadowalającej sztywności, przy jak najmniejszym ciężarze własnym. W lżejszych samochodach ciężarowych pochwy wykonuje się w postaci tłoczonych elementów zespawanych następnie w jedną całość. Technologia wykonania przewiduje również wykonanie pochwy jako elementu ciągnionego z rury bez szwu albo z arkusza blachy odpowiednio formowanego w kolejnych fazach wykonania. Czopy osadzenia piast lub gniazda osadzenia łożysk półosi obciążonych są w tym przypadku starannie dospawywane. W części środkowej przy pomocy śrub osadzone jest gniazdo przekładni głównej i mechanizmu różnicowego zwane łbem mostu napędowego. Jest ono wykonane jako odlew z żeliwa szarego i obrabiane mechanicznie. Przeciwległy otwór centralnej części pochwy osłonięty jest przyspawaną sferyczną pokrywą z blachy wyposażoną w otwór kontrolny poziomu oleju z korkiem. Pochwa w takiej postaci charakteryzuje się stosunkowo niewielkim ciężarem przy znacznej sztywności, choć jest pracochłonna w procesie produkcji. Przykładowe rozwiązanie konstrukcyjne przedstawia ten oto rysunek.

Działanie klasycznego mechanizmu różnicowego polega na przekazywaniu jednakowego momentu obrotowego na oba koła niezależnie od napotykanego oporu. W efekcie to koło, które ma mniejsze opory toczenia może obracać się szybciej od koła, które wymaga większego momentu do jego poruszenia. Suma prędkości obrotowej kół jest jednak zawsze dwukrotnie większa od prędkości obrotowej wału napędowego połączonego z mechanizmem różnicowym (przy założeniu, że przełożenie w tym mechanizmie wynosi 1:1 – jeśli nie, to dodatkowo trzeba pomnożyć prędkość obrotową wchodzącą do mechanizmu przez jego przełożenie).
Mechanizmy różnicowe dzielimy na: stożkowe, walcowy z kołami zębatymi oraz krzyżakowy. Mechanizm różnicowy krzyżakowy składa się z obudowy wykonanej z dwóch części z umieszczonym pośrodku kołem talerzowym. Wszystkie części mechanizmu są złączone śrubami. Lewa część obudowy ma wystający pierścień, tzw. kosz mechanizmu, z ośmioma wycięciami na kamienie, które mogą swobodnie przesuwać się w kierunku promieniowym. Lewa półoś osadzona jest na wielowypustach tarczy. Zewnętrzna powierzchnia tarczy ma dobrany zarys z krzywkami wewnętrznymi. Półoś prawa jest osadzona na wielowypustach bębna, którego wewnętrzna powierzchnia ma również dobrany zarys z krzywkami wewnętrznymi. Napęd w mechanizmie różnicowym krzywkowym doprowadzany jest na obudowę, z której przenosi się na kamienie. W czasie jazdy po prostej, gdy różnica momentów obrotowych wywieranych przez oba końce kamieni na krzywkę wewnętrzną i zewnętrzną nie przekroczy znacznych wewnętrznych momentów tarcia tego mechanizmu, mechanizm nie działa, gdyż część kamieni ulega zakleszczeniu pomiędzy krzywkami tarczy i bębna, wywołując ich wspólny obrót. Na zakręcie, gdy wspomniana różnica momentów obrotowych przekroczy wewnętrzne momenty tarcia mechanizmu różnicowego, wówczas tarcze oraz bęben zostają zmuszone przez kamienie do obrotu z różnymi prędkościami obrotowymi.
Mechanizm różnicowy ślimakowy składa się z satelitów ślimakowych, odrębnych dla każdego z kół koronkowych, których rolę odgrywają w tym przypadku ślimacznice. Ślimak napędzający przekładni głównej zazębia się ze ślimacznicą 1;1 związaną z centralną częścią obudowy mechanizmu różnicowego. Mechanizmy różnicowe ślimakowe są niekiedy stosowane w samochodach terenowych. Umożliwia kompensowanie różnicy drogi pokonywanej przez koła tej samej osi w jeździe po łuku. Gdyby oba koła jednej osi były stale napędzane z jednakową siłą (w czasie zakręcania), a koło wewnętrzne wobec zakrętu pokonuje drogę o wiele krótszą od koła zewnętrznego, dochodziłoby do ogromnych naprężeń na osi tych kół i nadmiernego zużywania się opon. Mechanizm różnicowy ma jedną wadę: zawsze koło obracające się swobodniej otrzymuje więcej siły napędowej. Jeśli więc jedno z kół napędzanych znajduje się na nawierzchni o niższej przyczepności, właśnie ono będzie silniej napędzane, a auto nie będzie w stanie ruszyć z miejsca. Przeciwdziałają temu systemy blokady mechanizmu różnicowego lub zapobiegania buksowaniu kół. Mechanizm różnicowy znaleźć można też w napędzie 4x4, gdzie kompensuje naprężenia międzyosiowe. Klasyczny mechanizm różnicowy to zespół kół zębatych. Koło talerzowe (element przekładni głównej) przyjmuje napęd od silnika, a samo połączone jest z krzyżakiem. Na krzyżaku zamontowane są małe koła zębate (satelity) zazębione z dwoma kołami koronowymi. Ten zespół kół zębatych umożliwia stałą kompensację obrotów półosi w celu wyeliminowania wad typowych mechanizmów różnicowych ,powstało kilka bardziej zaawansowanych rozwiązań. Jednym z nich jest mechanizm różnicowy typu Torsen.
Mechanizm różnicowy z walcowymi kołami zębatymi stosowany jest dość rzadko (w niektórych typach samochodu Tatra). Działanie tego mechanizmu jest podobne, jak mechanizmu różnicowego stożkowego, z tą tylko różnicą, że każdy stożkowy satelita zastąpiony jest parą małych kół walcowych, a na półosiach również osadzone są walcowe koła zębate. Na półosiach napędowych osadzone są walcowe koła zębate. W obudowie mechanizmu różnicowego, swobodnie osadzonej na półosiach napędowych, znajdują się zamocowane wałki, na których są luźno osadzone walcowe satelity. Długość satelitów i ich położenie jest tak dobrane, że każdy satelita częścią swej długości wchodzi w zazębienie z odpowiednim kołem walcowym, osadzonym na jednej z półosi. Pozostała część długości satelity współpracuje z drugim satelitą, który wchodzi w zazębienie z kołem walcowym drugiej półosi. W ten sposób obie walcowe koronki półosi są sprzężone ze sobą za pomocą satelitów podwójnych. Jeżeli ruch samochodu odbywa się po prostej, to satelity — pełniące w tym przypadku tylko funkcję sprzęgieł kłowych — pociągają za sobą koła koronkowe półosi, które będą się obracać z jednakową prędkością dopóki współczynniki oporu toczenia dla obu kół będą jednakowe. Natomiast na zakrętach koło wewnętrzne samochodu tocząc się po łuku wewnętrznym napotyka na większy opór drogi, co powoduje przyhamowanie tego koła, a wraz z nim koła koronkowego półosi. Satelity wówczas zaczynają obracać się na czopach krzyżaka i tocząc się po koronce półosi koła przebywającego krótszą drogę, spowodują szybsze obracanie się półosi koła zewnętrznego. W omówionym mechanizmie różnicowym spadek prędkości obrotowej jednej półosi pociąga za sobą identyczny wzrost prędkości obrotowej drugiej półosi. Jeżeli np. podczas ruchu samochodu półosie obracają się z prędkością 80 obr/min, a na zakręcie prędkość jednej półosi spadnie do 60 obr/min, to w tym samym czasie prędkość obrotowa drugiej półosi wzrośnie do 100 obr/min. W skrajnym przypadku, gdy jedno koło natrafia na powierzchnię bardzo śliską (np. gołoledź, śnieg, rzadkie błoto), a drugie na nawierzchnię o dużym współczynniku przyczepności, wówczas pierwsze koło będzie się obracać z podwójną prędkością, a drugie w ogóle nie będzie się obracać. Aby zapobiec tego rodzaju sytuacjom, w niektórych samochodach terenowych stosuje się mechanizmy różnicowe z urządzeniami blokującymi. Urządzenie blokujące stanowi najczęściej sprzęgło kłowe, blokujące (unieruchamiające) w razie potrzeby mechanizm różnicowy, co zapewnia bezpośrednie sztywne sprzęgnięcie obu półosi mostu napędowego. Sprzęgło kłowe osadza się na wielowypustach wykonanych na jednej z półosi. Blokowanie mechanizmu różnicowego polega na zazębianiu kłów sprzęgła z kłami obudowy mechanizmu różnicowego, co uniemożliwia działanie mechanizmu różnicowego. Urządzenie blokujące może być uruchomione z kabiny kierowcy za pomocą dźwigni, lub samoczynnie, włączając się wówczas, gdy różnica prędkości obrotowych półosi przekroczy pewną dopuszczalną wartość.
W ciężarówkach dużej ładowności, szczególnie w USA stosowane są dwa lub nawet trzy mosty napędowe w układach nazywanych tandem - dwa mosty lub tridem - trzy mosty. Ich budowa zewnętrzna jest bardzo podobna do zwykłych mostów napędowych samochodów z napędem na jedną oś. Różnica polega na sposobie przeprowadzenia wału wejściowego przekładni głównej. Stosuje się tutaj szeregowy napęd mostów, który pozwala wyeliminować z układu napędowego skrzynię rozdzielczą. Rysunek przedstawia mosty tandem.

W układzie tandem pierwszy most napędowy umożliwia wyprowadzenie napędu do mostu drugiego, a w celu uniknięcia naprężeń między mostami wynikającymi z chwilowych różnic prędkości obrotowych kół jezdnych wyposażony jest w międzyosiowy mechanizm różnicowy.


W układzie tridem podobnie rozwiązana jest konstrukcja mostu pierwszego i środkowego. W samochodach ciężarowych przeznaczonych do przewozu dużych ładunków lub wykonywania innych zadań w trudnym terenie stosuje się napęd zarówno na osie tylne, jak również na jedną albo dwie osie przednie kierowane. Mosty napędowe w tym przypadku muszą być wyposażone w elementy układu kierowniczego. Pochwa mostu z obu stron jest wyposażona w przykręcaną śrubami bądź przyspawaną głowicę umożliwiającą obrotowe osadzenie zwrotnicy koła jezdnego napędzanego. Sworznie tej zwrotnicy mogą być osadzone ślizgowo lub na łożyskach tocznych. Oczywiście należy zaznaczyć, że kształt głowicy pochwy mostu oraz zwrotnicy gwarantują szczelność połączenia i pełną ochronę przegubu półosi napędowych przed zanieczyszczeniami.

Blokada mechanizmu różnicowego
Blokada mechanizmu różnicowego, to mechanizm stosowany głównie w pojazdach terenowych, ciężarowych, ciągnikach rolniczych oraz SUV-ach. Jego zadaniem jest wyrównanie prędkości kół na osi blokowanej. Stosowany jest np. przy niepotrzebnym ślizganiu się kół na grząskim i podmokłym terenie. Użycie blokady przy skręcaniu na powierzchni o bardzo dobrej przyczepności może spowodować zniszczenie mostu napędowego. Samochód ciężarowy Volvo RT2610HV jest wyposażony w trzy blokady mechanizmu różnicowego ,po jednej dla obu przekładni mostu tylnego oraz jedną dla przekładni rozdzielczej. Blokada mechanizmu różnicowego przekładni rozdzielczej ,łączy napędy obu przekładni mostu, natomiast blokady mechanizmu różnicowego przekładni mostu tylnego łączą półosie napędowe z obudową mechanizmu różnicowego. Załączenie wszystkich blokad mechanizmu różnicowego sprawia, że wszystkie koła napędowe muszą się obracać z taką samą prędkością. Blokady mechanizmu różnicowego posiadają sprzęgła kłowe z utwardzanej stali, które sterowane są za pomocą sprężonego powietrza. Ich załącza-nie sygnalizowane jest przez dwie lampki kontrolne znajdujące się na tablicy rozdzielczej. Jedna lampka kontrolna jest przeznaczona dla blokady mechanizmu różnicowego przekładni rozdzielczej, a druga lampka dla blokad mechanizmu różnicowego obu przekładni mostu tylnego. Funkcja blokad mechanizmu różnicowego zapewnia bardzo dobrą zdolność dojazdową przy śliskim, sprzyjającym buksowaniu podłożu, co daje w rezultacie wysoki stopień dyspozycyjności pojazdu.

ZALETY

Tylny układ napędowy ma wiele zalet, z których bardzo istotną jest oddzielenie napędu od sterowania pojazdem. Wynika z tego możliwość zbudowania przedniego zawieszenia o nieskomplikowanej konstrukcji, która nie przenosi sił napędowych. Pozwala to na uzyskanie dużych kątów skrętu kół jezdnych, co ułatwia manewrowanie samochodem. Przekazywanie napędu na koła tylne przyczynia się do równomiernego zużycia opon i uzyskiwania wyższych przebiegów przez ogumienie. . Silnik napędzający koła tylne w mniejszym stopniu obciąża elementy zawieszenia, a jego drgania można łatwo wytłumić, dzięki czemu nie przenoszą się na nadwozie, co wpływa na wzrost komfortu podróżowania. Solidne, tylne mosty napędzane wałem przegubowym mogą przenosić duże wartości momentu obrotowego silnika i charakteryzują się odpornością na zużycie, co wpływa na długowieczność samochodu.

Wady

Oprócz szeregu zalet klasyczny układ napędowy ma także wady. W warunkach drogowych łatwo dochodzi do poślizgu tylnych kół, a zmieniająca się siła napędowa powoduje powstawanie zmian toru jazdy, które muszą być korygowane przez kierowcę. Jeśli samochodem podróżuje się na pusto, napędzane koła tylne są słabo obciążone, co w niesprzyjających warunkach, np. w zimie, zmniejsza możliwą do uzyskania siłę napędową.