Technika: Samosvorné diferenciály - Stejný účel, různý princip

Povídání o samosvorných diferenciálech jsme se rozhodli rozdělit na dvě části. V té první se zaměříme na obecné principy a dále na systémy pracující na ryze mechanickém principu. Ve druhém díle si povíme něco o systémech, využívajících „vyšší logiku“. I těch existuje několik napříč automobilovými výrobci.

Kola se nesmějí smýkat

Diferenciál používá každé auto. Smyslem je umožnit různou velikost otáček levého a pravého kola při jízdě zatáčkou. V ní se totiž vnější kolo odvaluje po delší dráze než kolo vnitřní. Nebo jinak řečeno, vnější kolo se musí točit rychleji než to vnitřní.

Pokud by se tak nedělo, docházelo by ke smýkání jednoho z kol a zároveň ke zvýšenému silovému namáhání převodového ústrojí a samozřejmě k předčasnému opotřebení pneumatik. Vznikaly by zde parazitní momenty, které by v extrému mohly vést až k poškození hnacího řetězce třeba v podobě prasknutí některého z hnacích hřídelů.

V tomto případě se jedná o takzvaný otevřený diferenciál. Tedy zcela bez svorného účinku. V praxi, pokud bychom jedno kolo poháněné nápravy mechanicky zablokovaly, bude celý točivý moment přenášený na druhé kolo, které je ve vzduchu. Toto dobře znají všichni, kteří se v zimě někdy pokoušeli někam vyjet. Jistě jste zažili situaci, kdy vám jedno kolo prokluzuje, druhé se netočí a vůz se ani nehne.

Otevřený diferenciál tedy vlastně splňuje dvě základní podmínky. Jednak dovoluje rozdílné úhlové rychlosti hnacích kol a také rozděluje rovnoměrně přiváděný točivý moment mezi obě kola hnané nápravy. Aby toto bylo splněno, musí mít mechanismus diferenciálu minimálně dva stupně volnosti.

Naprostá většina otevřených mezinápravových diferenciálů je kuželového typu. Skládají se z úhlového stálého převodu, klece diferenciálu, satelitů a planetových kol kuželového tvaru. Právě ty stojí za pojmenováním tohoto typu diferenciálu. Mechanická účinnost kuželového diferenciálu je asi 95 procent.

Alternativou ke kuželovému diferenciálu je čelní planetový diferenciál s přímými zuby. Používá se téměř výhradně k rozdělení hnací síly mezi přední a zadní nápravu. Jeho výhodou v porovnání s kuželovým diferenciálem je to, že umožňuje točivý moment dělit asymetricky. Ve funkci mezinápravového diferenciálu jej dříve používala celá řada automobilů. V minulosti například Peugeot 405 Mi16x (rozděloval točivý moment mezi přední a zadní nápravu v poměru 53:47), později Jaguar X-Type (40:60). Dnes je nahrazován různými aktivními lamelovými spojkami. Zmíněný Peugeot 405 Mi16x4 navíc měl tento typ diferenciálu také k rozdělení hnací síly mezi kola přední nápravy. Jde o dost atypické řešení.

Samosvorné diferenciály

Opakem otevřeného diferenciálu je samosvorný diferenciál. Novináři jej občas chybně popisují jako „diferenciál s omezenou svorností“. Toto slovní spojení v principu vlastně vylučuje vlastnost, kvůli které se používá. Správně je to „s omezeným prokluzem“, z angličtiny LSD (Limited Slip Differencial). Takový diferenciál má naopak jistou svornost. Ta vlastně snižuje jeho původní účinnost.

Svornost diferenciálu se vyjadřuje v procentech. Co si ale představit pod tím, když někdo řekne, že jeho vozidlo používá diferenciál s padesátiprocentní svorností. Pokud se bude jedno kolo odvalovat na povrchu s nízkým součinitelem smykového tření (malou adhezí) a druhé kolo naopak na povrchu s vysokým součinitelem smykového tření (dobrou přilnavostí), bude se na druhé jmenované kolo přenášet trojnásobný točivý moment, než jaký je schopno přenést kolo odvalující se na kluzkém povrchu. Dělení hnacího momentu mezi obě kola téže nápravy bude v danou chvíli 75:25 %.

Umí být i samosvorný

Jak už víte z úvodu, kuželový diferenciál je otevřený a tedy bez svorného efektu. Přesto se kuželové diferenciály používají i jako samosvorné. K tomu musejí být vybaveny doplňkovým zařízením, které je blokuje. Jde o takzvaný lamelový samosvorný diferenciál.

Již desítky let jej najdete u modelů značek BMW či Mercedes-Benz a nově také u Opelu v modelech Corsa OPC či Astra OPC. U tohoto typu diferenciálu se k vyvození svorného účinku a tedy k omezení prokluzu používají třecí elementy. Mohou to být třeba kuželové spojky, častěji se však používají lamelové spojky.

Lamelové spojky jsou v diferenciálu umístěny mezi planetová kola a jeho skříň. Jejich sevření vzniká v důsledku axiálních sil v kuželovém ozubení. Čím větší počet lamel v diferenciálu je, tím je náběh svorného účinku plynulejší. Toho velice rádi využívají drifteři, neboť se jim snáze vůz kontroluje při jízdě v přetáčivém smyku.

Lamely bývají pro zlepšení účinnosti někdy doplněny o talířovou pružinu. Její konstantní předpětí způsobuje určitou výchozí svornost diferenciálu bez ohledu na velikost přenášeného točivého momentu.

Originální řešení z Itálie

Zajímavé řešení samosvorného diferenciálu nabízely výkonné italské vozy s předním pohonem v 90. letech. Asi nejznámějším uživatelem systému Viscodrive byl Fiat Coupe 16V a 20V Turbo. A dále Lancie Nuova Delta HF či Kappa s přeplňovaným či šestiválcovým motorem.

Soustava Viscodrive pracuje s konvenčním kuželovým a tedy otevřeným mezinápravovým diferenciálem. Vtip spočívá v jeho doplnění o viskosní lamelovou spojku. Ta našla své místo v prostoru vloženého hřídele, jímž se vlastně vyrovnávají nestejné vzdálenosti mezi diferenciálem a levým, respektive pravým kole. Díky vloženému hřídeli mohou být použity stejně dlouhé hnací kloubové hřídele. To je výhodné z hlediska souměrnosti záběru.

Základní schéma činnosti Viscodrive je následující: viskosní spojka v tomto případě omezuje prokluz jednoho z kol v souladu s druhým. V praxi tak dokáže ve stejnou dobu přenést část točivého momentu z prokluzujícího kola na kolo s lepší přilnavostí.

Viskosní spojka je naplněna kapalinou s vysokou viskositou, jejíž vnitřní tření se mění v závislosti na rostoucí teplotě. Navíc zmíněný olej se po celou životnost spojky nemění, takže je vlastně bezúdržbová. V praxi tomu tak bylo, nicméně dnes jsou tato auta přes dvacet let stará, takže jejich uživatelé se potýkají s netěsnostmi spojky. Ale o tom někdy jindy.

Dal si trochu načas

V současnosti je nejvíce rozšířený samosvorný šroubový diferenciál torsen. Slovo „torsen“ je akronym slov „torque sensing“ neboli citlivý na točivý moment. Správně je to tak, že velikost třecího momentu diferenciálu je závislá na velikosti vstupního momentu do diferenciálu. Tedy čím větší hnací moment na diferenciál přivádíme, tím je jeho svorný účinek (daný vnitřním třením) větší.

Ačkoliv se diferenciál torsen používá masověji teprve od 80. let, pro využití k rozdělení momentu mezi kola jedné nápravy dokonce ještě o dekádu později, letos slaví už 58. narozeniny. Původně si jej nechal patentovat Vernon Gleasman. V roce 1982 od něj koupila práva na výrobu tohoto typu diferenciálu americká firma Gelason corporation (od roku 1994 Zexel Gleason). Ta se již dlouhou dobu zabývá výrobou ozubených převodů. Jde tedy o konkurenta německé firmy ZF (Zahnradfabrik – doslova fabrika na ozubená kola).

Své první uplatnění našel torsen v terénním vozidle AM general HMMWV (High Multi-purposed Wheeled Vehicle), kterému nikdo dnes neřekne jinak než Hummer. Od roku 1986 je torsem základem systému Audi Quattro.

Není torsen jako torsen

Torsen coby diferenciál rozdělující točivý moment mezi kola téže nápravy byl použit třeba u již zmíněného Peugeotu 405 Mi16x4 z roku 1989. V tomto případě na zadní nápravě. Mezi přední kola se dostal v první polovině 90. Let, a to zásluhou dnes již zesnulé anglické automobilky Rover. Ta nabízela zvláštní verzi převodovky PG1 ve voze Rover 200 Coupe Turbo (lidově zvaný tomcat), dále ve výkonné variantě pohledného sedanu 600 Ti, případně v modelu vyšší třídy 800 Turbo. A jelikož Rover tehdy úzce spolupracoval s Hondou, použila i ta torsen u některých svých modelů. Asi nejznámější je sportovní kupé Integra Type R či sedan Accord Type R. Dnes torsen mají rychlé Renaulty Mégane R. S. nebo Peugeoty RCZ R, 208 GTi by Peugeot Sport a nová 308 GTi.

Do současnosti vznikly tři verze diferenciálu torsen: typy A, B a C. První dva uvedené dělí při běžné jízdě točivý moment symetricky, takže jsou vhodné pro použití na jedné nápravě. Torsen typu C je asymetrický, používaný automobilkou Audi v poslední generaci modelu A6 nebo od minulého vydání A4. Dále ho naleznete v Toyotě Land Cruiser.

Je to trochu alchymie

U torsenu pohání ozubené talířové kolo stálého převodu klec diferenciálu. Dále je tady šest šnekových kol, které jsou čepy uchyceny do klece diferenciálu. Uloženy jsou vždy po dvou a rozmístěny v kleci symetricky, tedy s přesazením o 120 stupňů. Tři šneková kola zabírají s jedním šnekem. Šneky jsou duté, přičemž jimi prochází výstupní hřídele. Vzájemný přenos mezi výstupními hřídeli a šneky je řešen za pomoci drážkování. Aby se nemohly šneky axiálně na drážkování posouvat, jsou zajištěny klecí diferenciálu, přičemž se o sebe vzájemně opírají. Zmíněná šneková kola mají navíc každé na obou koncích čelní ozubená kola. Ta u dvou paralelních šnekových kol do sebe zabírají.

Při přímé jízdě se diferenciál otáčí jako jeden celek. V okamžiku, kdy vozidlo projíždí zatáčkou, začnou oba výstupní hřídele rotovat rozdílnými otáčkami. Spolu s tím budou mít odlišné otáčky také oba šneky, každý spojený s jiným výstupním hřídelem. Tím jsou také šneková kola otáčena různými otáčkami, jelikož jsou s nimi v záběru. Následně se čelní ozubená kola spojující paralelně uspořádaná šneková kola začnou vzájemně odvalovat. Jak šneky zabírají se šnekovými koly, dochází k mechanickým ztrátám, čímž klesá účinnost diferenciálu. Její úbytek je úměrný vznikajícímu svornému účinku. Točivý moment je v tu chvíli mezi výstupy z diferenciálu rozdělen nerovnoměrně.

Zvláštní typ, torsen C, je svojí podstatou spíše planetový diferenciál. S tím rozdílem, že jak planetové kolo, tak i satelity mají ozubení tvaru šroubovice. U běžného planetového diferenciálu jsou satelity uloženy na čepech unášeče v jehlových nebo valivých ložiskách. U torsenu typu C v porovnání s klasickým planetovým diferenciálem odpadají právě čepy unášeče. Satelity jsou tak ve svých polohách uloženy jako plovoucí v kruhových výřezech. Z důvodu šikmého ozubení dochází při záběru ke vzniku axiálních sil. Ty volně uložené planetové kolo axiálně posouvají a přitlačují na třecí kroužek.

Tento typ diferenciálu se může napříč jednotlivými výrobci automobilů lišit počtem satelitů, geometrií ozubení (úhlem šroubových ploch) či tvarem středících kroužků.

V průběhu let se objevily některé variace, většinou z důvodu vztahující se k patentům na určité řešení. Za všechny uvedeme systém Quaife. Používá jej třeba Ford Focus RS první a druhé generace a dále americké vozy Dodge Viper nebo ostrý Chrysler (Dodge) Neon SRT-4. Technicky vzato je diferenciál Quaife vlastně variací na torsen typu B. S tím rozdílem, že ozubená kola mají čelní, šikmé evolventní ozubení. Točivý moment vstupuje do diferenciálu klecí, vystupuje pak čelním planetovým kolem.