Dyferencjał - co to jest i za co odpowiada?

Mechanizm różnicowy alias dyfer - co to za układ?

Prototyp znanego dzisiaj dyferencjału powstał prawdopodobnie na początku naszej ery w Chinach, choć pierwszy tego typu wynalazek opatentowano we Francji w latach 20. XIX wieku. Historia mechanizmu różnicowego w branży samochodowej rozpoczęła się jednak w 1885 roku w Niemczech, kiedy to Karl Benz użył tego układu w swoim automobilu.

Co to jest dyferencjał? Otóż jest to układ składający się z kół zębatych, dzięki któremu koła mogą poruszać się z prędkością dostosowaną do toru jazdy. Dlaczego samochód potrzebuje takiego rozwiązania?

Diff i jego rola w samochodzie

Gdy samochód przemieszcza się wzdłuż linii prostej, koła obracają się z taką samą prędkością. Jednak gdy auto wchodzi w zakręt, wówczas do akcji wkracza dyfer. Co to znaczy? Otóż dzięki mechanizmowi różnicowemu koła znajdujące się po wewnętrznej stronie łuku (przy skręcie w prawo - prawe, przy skręcie w lewo - lewe) poruszają się wolniej niż koła znajdujące się od zewnętrznej strony łuku. Zróżnicowanie prędkości kół jest konieczne, ponieważ koła wewnętrzne pokonują podczas zakrętu mniejszą drogę niż koła zewnętrzne. 

Dlaczego diff jest taki ważny? Brak dyferencjału doprowadziłby do sytuacji, w której wszystkie koła poruszałyby się z taką samą prędkością. W efekcie podczas jazdy po łuku koła ślizgałyby się po powierzchni drogi, co z kolei groziłoby utratą przyczepności. Ślizganie kół doprowadziłoby również do szybkiego zużycia bieżnika w oponach oraz większego zużycia paliwa. Mechanizm różnicowy zapobiega również przeciążeniom układu napędowego oraz wynikającym z tego poważnym konsekwencjom (np. urwania półosi napędowej).

Jak działa dyferencjał?

Wiadomo już, co to jest dyferencjał i jaką pełni funkcję w samochodzie. Teraz pora przyjrzeć się zasadzie działania tego układu. Budowa mechanizmu różnicowego może wydawać się skomplikowana, jednak jest to po prostu kilka kół zębatych (koronowych i satelit) obracających się w obudowie, do której przymocowane jest koło talerzowe napędzane przez wałek atakujący.

W zależności od rodzaju napędu diff może znajdować się w skrzyni biegów (samochody z przednim napędem) lub na środku osi wzdłużnej (tylny napęd). Samochody z napędem 4x4 są również wyposażone w dyferencjał centralny, który reguluje różnice w prędkości pomiędzy dwiema osiami.

Jak działa dyferencjał? Zasadę działania mechanizmu różnicowego można przedstawić w kilku krokach:

1. Wałek atakujący przenosi moment obrotowy z silnika na koło talerzowe.
2. Koło talerzowe wprawia w ruch obudowę, a ta z kolei porusza krzyżakiem połączonym ze stożkowymi kołami zębatymi (satelitami).
3. Krzyżak wprawia w ruch satelity, a te z kolei "pchają" koła koronowe.
4. Koła koronowe wprawiają w ruch półosie, czyli przenoszą energię na koła samochodu.
5. Jeżeli samochód jedzie prosto, wówczas satelity wykonują ruch obiegowy, zaś koła koronowe obracają się z taką samą prędkością.
6. Podczas jazdy po łuku satelity obracają się również wokół ramion krzyżaka (tj. własnej osi), a koła koronowe obracają się z różną prędkością dostosowaną do położenia kół (koła znajdujące się po wewnętrznej stronie łuku zwalniają, zaś koła zewnętrzne przyspieszają o tę samą wartość).

Po czym można rozpoznać uszkodzony diff?

Wiedząc, jak wygląda dyferencjał i na czym polega jego działanie, można łatwiej zauważyć najczęstsze awarie dotyczące tego układu. Problemy z mechanizmem różnicowym wynikają najczęściej z uszkodzenia satelit lub zużycia podzespołów (np. łożysk). Dość charakterystycznym symptomem usterki lub awarii dyfra są niepokojące dźwięki (wycie, piski, huczenie) wydobywające się z miejsca, w którym zamontowany jest układ.

Do mechanika trzeba udać się również w razie występowania problemów ze sterownością - za niestabilną jazdę może odpowiadać m.in. uszkodzony mechanizm różnicowy. Awarie dyferencjału mogą objawiać się również przyspieszonym zużyciem opon, wibracjami wyczuwalnymi z wału napędowego czy zgrzytaniem (brzęczeniem) kół zębatych.

Na czym polega blokada mechanizmu różnicowego?

Dyferencjał nie jest rozwiązaniem idealnym. W przypadku, gdy jedne koła znajdują się na stabilnym podłożu, a drugie na śliskim, wówczas kierowca może nie ruszyć z miejsca (jedne koła będą nieruchome, a drugie będą obracać się z dużą prędkością). Ten sam problem można zaobserwować podczas jazdy off-roadowej, gdy jedno z kół oderwie się od nawierzchni (w tej sytuacji reszta kół przestanie się obracać). Pora zatem dowiedzieć się, na czym polega blokada dyferencjału w samochodzie.

W tradycyjnym mechanizmie różnicowym moment obrotowy przenosi się na koło, które traci przyczepność do podłoża (np. z powodu oblodzonej lub mokrej nawierzchni) i tym samym stawia mniejszy opór. W tej sytuacji reszta kół nieruchomieje i próba ruszenia z miejsca kończy się nerwowym buksowaniem. W zniwelowaniu tego problemu pomaga blokada mechanizmu różnicowego, która zapobiega przeniesieniu większego momentu obrotowego na koło pozbawione przyczepności (moment obrotowy rozkłada się równomiernie na oba koła). Jak to się dzieje? Otóż blokada ogranicza ruch obrotowy satelit, dzięki czemu koła koronowe obracają się z taką samą prędkością i przekazują taki sam moment obrotowy na obie półosie. 

Blokada dyferencjału może uruchamiać się automatycznie, hydraulicznie lub manualnie (kierowca może samodzielnie włączać i wyłączać blokadę w zależności od warunków). Blokady automatyczne dzielą się na mechanizmy o ograniczonym poślizgu (np. LSD, czyli tzw. szpera) oraz blokady stuprocentowe. W tzw. szpery wyposażone są głownie auta sportowe. W przypadku samochodów z napędem 4x4 konieczne jest zablokowanie osiowego dyferencjału: w SUV-ach i crossoverach stosuje się blokady elektroniczne (EDS), natomiast w typowych autach terenowych lepszym rozwiązaniem są blokady uruchamiane mechanicznie, pneumatycznie lub ręcznie.