Mechanizm różnicowy. Co to jest i dlaczego jest stosowany?

W dużym uproszczeniu mechanizm różnicowy służy do tego, aby koła na osi napędzanej nie obracały się z tą samą prędkością. Bardziej naukowo to zadaniem mechanizmu różnicowego jest kompensacja różnicy prędkości obrotowej półosi kół osi napędowej podczas pokonywania przez nie torów o różnych długościach.

Mechanizm różnicowy jest często nazywany dyferencjałem – od słowa dyferencja, czyli różnica. Co ciekawe, nie jest to wynalazek z początku ery motoryzacji. Dyferencjał wymyślili już przed wiekami Chińczycy.

Do pokonywania zakrętów

Ideą mechanizmu różnicowego jest umożliwienie pojazdowi pokonywania zakrętów. Otóż na osi napędzanej, kiedy auto jest na zakręcie, koło zewnętrzne ma do pokonania dłuższą drogę niż koło od strony wewnętrznej. Skutkuje to tym, że koło zewnętrzne musi obracać szybciej, niż wewnętrzne. Po to, aby oba koła nie obracały się z tą samą prędkością jest właśnie potrzebny dyferencjał. Gdyby go nie było, to jedno z kół na osi napędzanej ślizgałoby się po nawierzchni drogi.

Mechanizm różnicowy nie tylko zapobiega temu zjawisku, ale także zapobiega powstawaniu niepożądanych naprężeń w układzie napędowym, co z kolei mogłoby skutkować awariami, zwiększonym zużyciem paliwa i zużyciem opon.

Budowa mechanizmu

Dyferencjał składa się z kilku stożkowych kół zębatych, które zamknięto w wirującej obudowie. Jest ona połączona z kołem talerzowym. Przekazanie momentu obrotowego ze skrzyni biegów (i z silnika) na koła napędzane następuje, kiedy tzw. wałek atakujący napędza wspomniane koło talerzowe poprzez specjalną przekładnię hipoidalną (ma wichrowate osie i łukowe linie zębów, co pozwala na przenoszenie dużych obciążeń).

W przypadku samochodów z napędem na przednie koła, koło talerzowe ma zęby proste lub skośne, które są na zewnętrznym obwodzie wałka. Tego typu rozwiązanie jest prostsze i tańsze w produkcji i eksploatacji (dyferencjał jest zespolony ze skrzynią biegów), co wyjaśnia dlaczego auta z napędem na przednią oś dominują na rynku.

Zobacz także Moc zawsze na cztery koła czyli przegląd systemów napędu 4x4 

W autach z napędem na tył mechanizm różnicowy jest schowany w specjalnej metalowej obudowie. Widać ją dobrze pod podwoziem - pomiędzy kołami napędzanymi jest charakterystyczny element zwany tylnym mostem.

W środku zamontowany jest krzyżak, na którym osadzone są koła zębate zwane satelitami, bo krążą one wokół tego elementu w kierunku jazdy powodując obrót kół zębatych, a te z kolei przekazują napęd na koła auta. W przypadku, gdy koła pojazdu kręcą się z różną prędkością (czyli np. pojazd pokonuje zakręt), to satelity obracają się jeszcze na ramionach krzyżaka.

Bez poślizgu

Jednak czasem mechanizm różnicowy sprawia kłopoty przy ruszeniu z miejsca. Dzieje się tak, gdy jedno z kół samochodu stoi na śliskiej nawierzchni, np. na lodzie. Wówczas dyferencjał przekazuje prawie cały moment obrotowy właśnie na to koło. Wszystko dlatego, bo koło posiadające lepszą przyczepność potrzebuje wtedy użycia większego momentu obrotowego by pokonać wewnętrzne tarcie w mechanizmie różnicowym.

Tego typu problem został rozwiązany w samochodach sportowych, a przede wszystkim w terenówkach z napędem 4x4. W takich pojazdach stosuje się zazwyczaj mechanizmy różnicowe o zwiększonym oporze, które potrafią przenieść większą część momentu obrotowego na koło, które ma lepszą przyczepność.

W konstrukcji dyferencjału stosuje się sprzęgła między bocznymi kołami zębatymi, a obudową. Kiedy jedno z kół traci przyczepność, to jedno ze sprzęgieł swoją siłą tarcia zaczyna przeciwdziałać temu zjawisku.

Jednak to nie jedyne rozwiązanie w układzie napędowym stosowane autach 4x4. Większość takich pojazdów ma jeszcze międzyosiowy mechanizm różnicowy (zwany często centralnym dyferencjałem), który wyrównuje różnicę prędkości obrotowej pomiędzy osiami napędowymi. Takie rozwiązanie niweluje powstawanie zbędnych naprężeń w układzie przeniesienia napędu, które szkodliwie wpływają na trwałość układu napędowego.

Ponadto międzyosiowy mechanizm różnicowy rozdziela moment napędowy pomiędzy przednią i tylną oś. Dla polepszenia walorów trakcyjnych każde szanujące się auto terenowe ma jeszcze reduktor, czyli mechanizm zwiększający moment obrotowy przekazywany na koła, kosztem prędkości.
Wreszcie dla najbardziej zdeklarowanych offroaderów przeznaczone są pojazdy wyposażone w blokady mechanizmów różnicowych – międzyosiowy i na poszczególnych osiach.

Zdaniem eksperta
Jerzy Staszczyk, mechanik ze Słupska
Mechanizm różnicowy to trwały element samochodu, ale pod warunkiem właściwej eksploatacji. Nie służą mu na przykład nagłe ruszanie z miejsca z piskiem opon. Oczywiście im samochód starszy, tym jego układ napędowy, w tym i mechanizm różnicowy, jest bardziej wyeksploatowany. Można to sprawdzić nawet w domowych warunkach. Trzeba tylko podnieść tą część auta, gdzie znajdują się koła napędzane. Po wrzuceniu jakiegokolwiek biegu obracamy kołem w obie strony do momentu wyczucia oporu. Im później poczujemy opór, tym większy jest stopień wyeksploatowania dyferencjału. W przypadku samochodów z napędem na przednią oś takie luzy mogą też świadczyć o zużyciu skrzyni biegów.

Wojciech Frelichowski