Prijenos snage (V)

Prijenos snage (V)
tekst: autonet.hr

Diferencijal

Završavajući temu prijenosa snage, došli smo i do njezinog posljednjeg dijela - diferencijala. Riječ je o mehaničkom sklopu koji osigurava ravnomjernu raspodjelu momenta između pogonskih kotača čak i onda kada se oni ne okreću istom brzinom. No, o čemu se tu zapravo radi te što je diferencijal s ograničenim proklizavanjem saznat ćemo u ovom poglavlju Škole automobilske tehnike

Zašto nam treba diferencijal? Pri vožnji ravno, kotači se okreću jednakom brzinom jer prelaze jednak put. No, u zavojima se situacija mijenja

U danima kada je jedina alternativa jahanju, ili pješačenju, bila kočija nitko nije niti pomišljao na probleme koje će donijeti vozila sa samostalnim pogonom. Kočija se kotrljala na četiri (ili koliko već, ovisilo je o...) kotača od kojih se svaki vrtio u svom ležaju. No, uvođenjem u "igru" motora s unutarnjim izgaranjem stvari su se znatno izmijenile.

Problem koji se tada pojavio zove se jednostavno "vožnja kroz zavoje", a koju bi teško mogla svladati motorna vozila s čvrsto povezanim parom pogonskih kotača. Raspodjela momenta između kotača, već u osvit automobilizma, nije mogla biti izvedena tek jednostavnim prijenosom: vratilom koje je vodilo od motora, a čiji se moment između pogonskih kotača dijelio na dva jednaka dijela. Drugim riječima, oba bi se kotača tako okretala jednakom brzinom, upravo kao kod igračke gdje su kotači spojeni na zajedničku osovinu.

Ipak, prilikom vožnje kroz zavoje javlja se problem prijeđenog puta. Naime, jasno je da prilikom vožnje ravno, kotači prelaze jednaki put. No, prilikom vožnje kroz zavoje kotač koji se nalazi s unutarnje strane zavoja prelazi manji put pri čemu se javlja razlika u brzini okretanja između tog kotača (katkada ga u tekstovima nazivamo i "unutarnjim kotačem") i kotača s vanjske strane zavoja. Vozila sa čvrsto povezanim kotačima u ovakvom bi slučaju proklizavala, zanosila se i, moguće, prevrtala jer bi kotači međusobno pokušavali ubrzati odnosno usporiti jedan drugoga. Rješenje ovog problema nalazi se u magičnom sklopu zupčanika nazvanom - diferencijal.

Diferencijal

Osnovni dijelovi diferencijala: ulazno vratilo (crveno), tanjurasti zupčanik (plavo), zupčanici za izjednačavanje brzine (žuto), poluvratila sa zupčanicima (zeleno) i kučište diferencijala

Načelo rada diferencijala upoznat ćemo pregledom njegovih osnovnih dijelova. Stožasti zupčanik povezan s izlaznim vratilom mjenjača okreće veliki tanjurasti zupčanik koji se zbog većeg broja zuba okreće sporije od njega (odnos broja zuba stožastog i tanjurastog zupčanika nazivamo prijenosnim omjerom diferencijala). Nadalje, na tanjurastom su zupčaniku pričvršćena dva do četiri manja zupčanika koji služe za izjednačavanje brzine vrtnje (njihovo se ležište okreće zajedno s tanjurastim zupčanikom), a sami pokreću zupčanik pogonskog vratila kotača.

Značajno je sada napomenuti nekoliko detalja. Naime, iz razlike broja zuba zupčanika pogonske osovine i velikog tanjurastog zupčanika vidimo još jednu ulogu diferencijala, a ta je da dodatno smanjuje brzinu vrtnje pogonskih vratila. Također, kako se moment iz diferencijala dijeli na dva pogonska vratila, takva vratila nazivamo poluosovinama ili, ako baš hoćete znanstvenije, poluvratilima.

Kako u stvari radi diferencijal, podosta je jednostavno i temelji se na potrebi da moment pogonskog vratila (koje dolazi iz mjenjača) bude raspodijeljen između oba pogonska kotača tako da se oni, prema potrebi, mogu okretati različitim brzinama.

Načelo rada diferencijala

Detaljno, priča izgleda ovako: na slici desno su prikazane poluosovine s pripadajućim zupčanicima (stošci na ovom primjeru).

  • Kada se oba kotača okreću jednakom brzinom (vožnja ravno) zupčanici za izjednačavanje brzine vrtnje ne okreću se u svojim ležištima već kruže zajedno sa zupčanicima poluosovina
  • U drugom slučaju imamo primjer kada je lijeva poluosovina zakočena, odn. njezino je okretanje usporeno (npr. lijevi je kotač na unutarnjoj strani zavoja). U ovom se slučaju zupčanici za izjednačavanje počinju okretati oko svoje osi (u svojim ležištima) i kotrljati po zupčaniku poluosovine koja je usporena, dok se druga poluosovina nastavlja okretati većom brzinom. Dakle, možemo reći da se povećanjem brzine okretanja jedne poluosovine smanjuje brzina okretanja druge.
  • Cijeli sklop diferencijala (obratite pozornost na smjer okretanja zupčanika u sva tri primjera). Stožasti zupčanik (povezan s izlaznim vratilom mjenjača) okreće veliki tanjurasti zupčanik koji je nepomično povezan s ležištima zupčanika za izjednačavanje brzine vrtnje. Tako naša "priča" o radu diferencijala ponovno kreće s početka

Diferencijal s ograničenim proklizavanjem

Mehanički LSD diferencijal s 30-postotnim ograničenjem proklizavanja za model M235i (BMW AG)

Kao i uvijek, teorija i praksa podosta se razlikuju. Kada bi ste automobilu s klasičnim (otvorenim) diferencijalom, kakav smo upravo opisali, podigli jedan pogonski kotač u zrak, pokrenuli motor i ubacili mjenjač u neki stupanj prijenosa, isti bi se počeo okretati dok bi onaj drugi ostao "mrtav hladan", prikovan uz zemlju. Ovo je moguće upravo stoga što diferencijal dozvoljava različite brzine okretanja pogonskih kotača. No, u praksi takav rad prijenosa može biti i problematičan, posebno u slučaju kada se jedan kotač nađe na površini niskog trenja (npr. snijeg), a drugi na npr. asfaltu.

Pri bržoj vožnji kroz zavoje nerijetko se događa da se, zbog naginjanja karoserije, kotač s unutarnje strane zavoja odigne od zemlje (ili se smanji opterećenje na njega). U tom će se slučaju ovaj kotač nastaviti vrtiti u prazno, no diferencijal će ujedno i "prekinuti" okretanje kotača s vanjske strane zavoja. U krajnjim situacijama, ovakav gubitak pogona može rezultirati zanošenjem vozila kao najlošijim scenarijem te gubitkom brzine kao scenarijem posebno problematičnim kod natjecateljskih vozila. Da bi se ovakve pojave koliko-toliko ograničile, na automobile boljih karakteristika ugrađuje se diferencijal s ograničenim proklizavanjem, poznat i kao LSD (eng. - Limited Slip Differential).

Diferencijal s ograničenim proklizavanjem i dvije spojke s više lamela modela RS5 (Audi AG)

LSD je, u osnovi, jednake konstrukcije kao i otvoreni diferencijal s iznimkom jednog para spojki. Kod vožnje ravno, proračunato trenje spojki omogućava da diferencijal s ograničenim proklizavanjem radi poput otvorenog diferencijala. Također, ništa se ne mijenja niti prilikom sporije vožnje kroz zavoje. No, povećanjem momenta koji dolazi s pogonske osovine, a time i brzine okretanja tanjurastog zupčanika u diferencijalu s ograničenim proklizavanjem, centrifugalni sustav spojki omogućava da se okretni moment djelomično prenese i na kotač koji se kod otvorenog diferencijala ne bi okretao ili bi se okretao znatno sporije, što bi (sa suprotne strane diferencijala) izazvalo proklizavanje drugog kotača.

Tako se ponovno povezuje okretanje zupčanika za izjednačavanje s okretanjem poluosovina čime se smanjuje gubitak pogona na kotačima. Dakako, pretjeramo li s ograničenjem rada diferencijala, vratili bi se na početak priče i slučaj sa zanošenjem vozila. Stoga je sustav ograničenog proklizavanja mehaničkih diferencijala proračunat i prilagođen određenom automobilu (u opisima diferencijala s ograničenim proklizavanjem često susrećemo i vrijednosti izražene u postocima koje nam govore koliko će rad diferencijala biti ograničen pri krajnjim uvjetima vožnje). Ovakvi diferencijali s ograničenim proklizavanjem imaju tzv. stalnu ili nepromjenjivo postavljenu vrijednost (stoga što se centrifugalni sustav uključuje uvijek pri istoj brzini okretanja poluosovine), a spojke koje koriste najčešće su opremljene oprugama za povezivanje lamela.

Aktivni diferencijal s ograničenim proklizavanjem modela M5 iz 2011. (BMW AG)

Napredniji diferencijali s ograničenim proklizavanjem opremljeni su sustavom "prepoznavanja" okretnog momenta. Ukratko, ovakvi su diferencijali opremljeni spojkom (ili spojkama) koje s povećanjem momenta koji dolazi s ulaznog vratila snažnije povezuju poluosovine. Dakle, s većim pritiskom na gas i shodno tome, većom isporukom okretnog momenta, ovakav diferencijal proporcijalno više ograničava proklizavanje.

Dakako, kao i u svakoj priči o nekom dijelu automobila i u razgovoru o diferencijalu s ograničenim proklizavanjem mogli bi smo temu razviti u mnogo smjerova. Naime, postoji više različitih konstrukcija LSD diferencijala, ovisno o načinu na koji se ograničava proklizavanje pojedinog kotača. Razlike su, prvenstveno, temeljene na konstrukciji spojke koja je zadužena za ograničenje proklizavanja, a u praksi je najčešće rješenje primjena spojke (ili spojki) s više lamela. Također, elektroničke kontrolne jedinice kod LSD diferencijala koriste se za prilagođavanje stupnja ograničenja proklizavanja, npr. putem hidrauličkih ili elektromehaničkih aktuatora koji upravljaju spojkama. Ovisno o načinu rada, takve diferencijale naziva se i aktivnim diferencijalima, s obzirom da ne mijenjaju omjer raspodjele okretnog momenta tek nakon što se pojavi razlika u brzini okretanja pogonskih kotača, već putem elektroničkih senzora prikupljaju podatke kako bi unaprijed prilagodili rad diferencijala uvjetima vožnje.

Rog za svijeću ili?

Kombinacija otvorenog diferencijala i kočenja kotača koji proklizava ipak ima svoje uporište u teoriji poput ove (Audi AG)

No, da ne bi bilo zabune, nije svaki "elektronički kontrolirani diferencijal" upravo takve konstrukcije. Naime, u praksi se, posebno kod jeftinijih vozila, taj termin komercijalno koristi i za "instant" rješenja kod kojih se proklizavanje kotača u stvari kontrolira kočenjem pojedinog kotača, a ne putem diferencijala. Takvim se sustavom ne ostvaruje puna funkcija diferencijala s ograničenim proklizavanjem, a to je da se u slučaju velike razlike u brzini vrtnje kotača dodatni moment prenese na sporiji kotač, već se samo sprječava proklizavanje kotača koji ima lošiji kontakt s podlogom.

Ovakvi "elektronički kontrolirani diferencijali" koriste podatke ABS sustava, raznih akcelerometara i drugih senzora kako bi detektirali proklizavanje pogonskog kotača. No, pored činjenice da ne isporučuju veći moment sporijem kotaču, u uvjetima vožnje pri kojima su često u upotrebi (npr. brza vožnja skliskom zavojitom cestom) ovakav sustav može dovesti i do pojačanog trošenja kočnica.

Blokada, zaključavanje...

Pritiskom na prekidač u kokpitu Mercedes-Benza G 63 AMG moguće je zaključati prednji, središnji ili stražnji diferencijal, no tu je i upozorenje! (Daimler AG)

Za kraj ovog poglavlja red je da popričamo i malo o terminologiji. Naime, u praksi nerijetko susrećemo termin "diferencijal s blokadom" (koji smo, vjerojatno i mi ponekad upotrijebili). U stvari, riječ je o diferencijalu s ograničenim proklizavanjem, a pojam "blokade" nikako ne smijemo pomiješati s pojmom "zaključavanja" diferencijala.

Ovdje je, naime, riječ o vrsti diferencijala opremljenog sustavom blokiranja ili zaključavanja raspodjele momenta na takav način da se cijelo vrijeme na oba pogonska kotača isporučuje jednaki moment. Bilo da se radi o automatskom sustavu zaključavanja diferencijala ili onom koji može aktivirati vozač, ovakvi se diferencijali najčešće koriste kod terenskih vozila kod kojih je veća mogućnost dulje vožnje u uvjetima gdje se jedan kotač kreće preko podoge s kojom stalno ima dobar kontakt, dok je drugi na vrlo skliskoj podlozi. No, ne smijemo zaboraviti da je zaključavanje diferencijala više nego li preporučjivo deaktivirati čim se ponovno nađemo na ujednačenijoj podlozi.

- - -

Premda je iz prve polovine prošlog stoljeća (1937!), ovaj film General Motorsa na odličan način pojašnjava načelo rada diferencijala (zabava počinje na 1:50 :-))