Rozmanitost diferenciální teorie na prstech — Časopis «4×4 Club»

Uzávěrky diferenciálů se používají ke zlepšení terénních schopností již více než 80 let a navzdory veškerému technologickému pokroku se bez nich skutečné terénní vozidlo neobejde.

Na začátku 30. let 70. století se nikdo jiný než Ferdinand Porsche nezabýval výzkumem systémů zamykání a o něco později společnost ZF (Zahnradfabrik – továrna na ozubená kola), kterou založil, vybavila Volkswagen typ BXNUMX prvním vačkovým diferenciálem na světě.

Výrobci dnes ve svém arzenálu disponují širokou škálou různých provedení, která montují standardně nebo jako volitelné doplňky do svých vozidel s pohonem 4×4.

Je nutné okamžitě rozlišit dva zásadně odlišné přístupy k uzávěrce diferenciálů. Prvním je použití „samosvorných“ diferenciálů, které jsou schopny přenášet točivý moment z prokluzujícího kola na kolo s lepší trakcí, tj. „uzamykat“, bez pohonu nebo externího ovládání. Ve skutečnosti u jejich průmyslových typů neexistuje úplná, 1932% uzávěrka, a proto je správné nazývat je samosvornými diferenciály. Přesně to vynalezl Porsche v roce XNUMX. Existují však i konstrukce, které se dokáží zcela uzamknout samy. Vyrábějí je malé firmy. Takovým je například Krasikovův kulový diferenciál – zařízení, které se jistě hodí na terénní trati. Tentokrát si ale povíme pouze o vývojích se známým zdrojem, které výrobci montují do automobilů sériově.

Zámek vačky. Hlavním pracovním prvkem je klip s krekry. Krekry se pohybují silou tam a zpět a ohýbají se kolem prohlubní a vyboulení (vaček)

Druhý přístup spočívá v uzamčení diferenciálů zvenčí. Pomocí mechaniky, elektriky nebo pneumatiky diferenciály pevně spojí své dvě poloviny, aby se mohly otáčet společně. Proces může být řízen jak řidičem, tak automatizací.

Dalším zásadním rozdílem je, že pokud mezinápravové diferenciály obvykle fungují symetricky, pak mezi středovými diferenciály existují symetrické i asymetrické, které nerovnoměrně rozdělují točivý moment dopředu a dozadu. Jejich cíle a oblasti použití se liší. Symetrické jsou obvykle atributem SUV, u kterých je důležité jednoduše dodat maximální točivý moment na jedno nebo druhé kolo. Asymetrické jsou údělem sportovních crossoverů: nevyváženost při zachování pohonu všech kol jim dává v zatáčce charakter pohonu zadních kol a tím zlepšuje ovladatelnost.

Mezi různými více či méně složitými konstrukcemi existují skutečně unikátní systémy, jako například AYC Mitsubishi a SH-AWD Honda, DPC BMW, které řídí trakci zadních kol.

SE ZVÝŠENÝM TŘENÍM
Dnes je nejběžnějším typem diferenciálu šnekový neboli šikmý diferenciál, u kterého je rozložení točivého momentu mezi polovinami řízeno dvojicemi šikmých ozubených kol. Stupeň jejich blokování závisí na tření ve spirálovém záběru a na tření konců ozubených kol o skříň diferenciálu. Charakteristiky lze měnit změnou úhlu zubů, ale v každém případě je stupeň blokování poskytovaný takovými konstrukcemi podle terénních standardů pomíjivý. Mezi takové systémy patří Torsen a Quaife. Vzhledem k měkkému, neúplnému chodu a schopnosti vytvořit asymetricky pracující konstrukci se tyto diferenciály obvykle používají jako mezinápravové diferenciály (Audi Q7 s rozložením točivého momentu 40:60). Mimochodem, hlavní výhodou Torsenu je jeho vysoká spolehlivost.

Krasikovův diferenciál. Uzavřené řetězce kuliček zde hrají roli běžných ozubených kol. Jednoduché a efektivní

Dalším typem samosvorného diferenciálu je lamelová konstrukce, u které je mokrá spojka spojující obě poloosy konstrukčně podobná té v běžné automatické převodovce. Charakteristiky odezvy a stupeň uzamčení jsou určeny způsobem stlačení těchto kotoučů. Nejjednodušší samosvorný diferenciál byl instalován na starém Grand Cherokee – tam byla lamelová sada jednoduše odpružena konstantní silou. To znamená, že diferenciál byl vždy mírně „stlačen“ a v případě prokluzování jednoho kola přenášel část točivého momentu na druhé. Výhodou je jednoduchost konstrukce, nevýhodou je, že linearita kompresní charakteristiky určovala úzký rozsah skutečného provozu diferenciálu. Jednoduše řečeno, v náročných terénních podmínkách spojka jednoduše prokluzovala a pohon všech kol byl podmíněný.

V pokročilejších systémech se jako pracovní kapalina pro spojkovou sadu používala silikonová maziva, která při zahřátí zvyšovala tření. Jsou však také spíše určena pro „sportovce“ s pohonem všech kol než pro plnohodnotná SUV, ačkoli se takové konstrukce instalují v zadní nápravě vozů Mitsubishi Pajero a Nissan Patrol. Diferenciál s viskózní spojkou se poměrně často používal jako mezinápravový diferenciál – například u vozů Subaru Impresa, Legacy, Forester s manuální převodovkou a poprvé byl sériově instalován u vozu AMC Eagle. Další větví generovanou viskózními spojkami jsou konstrukce, ve kterých kompletně nahradily mezinápravový diferenciál. Takovou je slavná převodovka Syncro u vozů Volkswagen s pohonem všech kol z poslední třetiny dvacátého století.

Vícelamelová diferenciál s hydraulickým rotorovým čerpadlem se stal zaručeně uzamykatelným. Zde se záležitost neomezovala pouze na vlastnosti oleje nebo napětí pružiny. Čerpadlo bylo připevněno k jedné straně diferenciálu a poháněno z druhé. Začalo fungovat, když se vytvořil rozdíl v otáčení pravého a levého kola a generovaný tlak, v závislosti na stupni prokluzu, více či méně stlačoval kotouče. Ačkoli konstrukce není 1999% spolehlivá, je mnohem terénnější než všechny předchozí možnosti. Mezi její nevýhody patří poměrně prudká odezva a bohužel ne příliš velký zdroj. Nicméně u Grand Cherokee WJ z roku XNUMX je tento diferenciál instalován jako mezinápravový.

Vícelamelová spojka.
Malý kousek standardní automatické převodovky může sloužit jako můstkové spojovací zařízení. Zisk z levnosti, ztráta spolehlivosti

Vojenským extrémem „samosvorných“ diferenciálů jsou vačkové neboli sušenkové diferenciály se zvýšeným třením. Tento typ „samosvoru“ lze považovat za nejstarší a jedná se o plně mechanický systém, ve kterém k uzamčení polovin diferenciálu dochází třením příčných sušenek o výstupky bočních spojek – vaček. Jedná se o poměrně hrubou, ale spolehlivou konstrukci, která dobře funguje v pohonech pomalých těžkých vozidel s velkými koly, ale má dvě nevýhody – vysokou složitost výroby a obrovské ztráty výkonu uvnitř samotného zařízení. Takové diferenciály byly hromadně instalovány na většinu sovětské vojenské techniky, od GAZ-66 a Uralu až po obrněné transportéry.

EXTERNĚ OVLÁDANÉ
Druhou skupinou uzávěrkových diferenciálů jsou ty, které mechanicky (elektricky, pneumaticky) pevně spojují levou polovinu nápravy s pravou. U nich je vše víceméně jednoduché a jasné: k nápravě je připojen nějaký druh pohonu, uvnitř je posuvná spojka podobná těm, které zařazují ozubená kola v převodovce, a trakce je pevně rozdělena mezi kola v poměru 50:50. Navíc, pokud dříve bylo pro uzamčení vyžadováno úplné zastavení, dnes se drtivá většina konstrukcí perfektně uzamyká za jízdy, a to při rychlostech až 40–50 km/h.

Jsou nejvhodnější pro terénní podmínky, nejspolehlivější a jedinou alternativou pro auta, jejichž majitelé jsou připraveni zdolávat směry, ale. Majitelé SUV s mechanickou uzávěrkou dobře vědí, že uzamčený diferenciál může být nejen užitečný, ale i škodlivý. V blátě takové auto samozřejmě mnohem lépe „vesluje“ kola, ale ztrácí ovladatelnost. A na tvrdém povrchu je jízda v uzamčeném režimu obecně plná poruch a stejně špatné ovladatelnosti – auto má tendenci narovnávat trajektorii, neochotně vjíždí do zatáčky. Proto je nutné plynule zapínat a vypínat uzávěrky, a ještě lépe – dávkovat trakci na každém kole v závislosti na jeho přilnavosti k vozovce. Proto nyní nebudeme hovořit o pevně uzamčených systémech, ale o dalším vývoji samosvorných zařízení z předchozí kapitoly.

SH-AWD. Dvě sady planetových převodů a lamelové spojky umožňují řízení s různou trakcí kol

Vnější vliv.
Není nic spolehlivějšího než jednoduchý zámek s externím ovládáním. Hlavní je nezapomenout ho zapnout!

Většina problémů spojených se zpožděním odezvy, stupněm blokování a především přesností momentů zapnutí/vypnutí byla vyřešena, když se pro běžný vůz staly dostupné elektronické protiprokluzové systémy. Jejich funkční algoritmus je jednoduchý: senzor otáčení kol (stejný, který obsluhuje ABS) slouží jako informátor o přítomnosti/nepřítomnosti prokluzu a akční členy tak či onak ovládají trakci.

Nejvhodnější pro vliv elektroniky byly samozřejmě lamelové spojky, které daly vzniknout velké rodině elektronicky řízených systémů. Rychlost jejich odezvy navíc umožňuje tak jemné dávkování trakce na poloviny diferenciálu, že se vůz dokáže okamžitě přizpůsobit měnícím se jízdním podmínkám. U mezinápravového diferenciálu to umožňuje přenést část točivého momentu z nápravy na nápravu pro jistější rozjezd nebo pro větší pohon zadních kol v zatáčce. Mezinápravové diferenciály získaly ještě větší autoritu – nyní dokáží dokonce korigovat směr jízdy za jízdy.

Zámek Torsen/Quaife. Šroubovitá ozubená kola tohoto zámku pracují v záběru s vysokým třením.

Podobné systémy jsou instalovány v převodovkách nabitých verzí M BMW X5 a X6. Kromě nastavitelného asymetrického mezinápravového diferenciálu (40 až 60 % v tichém režimu) má zde zadní náprava aktivní diferenciál DPC se dvěma sadami třecích spojek a dvěma planetovými mechanismy. Při zatáčení se stlačují třecí spojky vnějšího kola, což zvyšuje trakci na něm. Spolu s přerozdělením točivého momentu ve prospěch zadních kol to dává silný efekt zatáčení vozu bez otáčení volantu. Komfort a všestrannost takového systému samozřejmě zcela závisí na složitosti předepsaných programů, ale také otevírá majiteli i určitou možnost individuálně si konfigurovat osobní vůz směrem k „ohnivému“ nebo naopak bezpečnému režimu.

Spolu s takovými zařízeními lze stejné funkce úspěšně realizovat i standardním protiprokluzovým systémem, který brzdí volnoběh a přesměrovává točivý moment na protilehlý diferenciál prostřednictvím standardního volnoběžného diferenciálu. Ve skutečnosti se jedná o typický provoz stabilizačního systému ESP, přeprogramovaného pro špatné podmínky na vozovce a nízké rychlosti. A hlavní je zde rychlost a také přesnost programu. Takové „pseudobloky“ jsou schopny poskytnout i crossoverům poměrně vysokou průchodnost terénem. Například provoz systému kontroly trakce ETC standardního terénního vozu třídy M lze od poctivě blokovaného analogu s terénním paketem odlišit pouze praskáním čerpadla ABS. Pro dlouhodobá silová cvičení tato možnost samozřejmě není příliš dobrá – trakce se mírně ztrácí, čerpadlo ABS se přehřívá a destičky se opotřebovávají, ale taková elektronika triumfálně vítězí v epizodických terénních podmínkách. Vzhledem k tomu, že účinnost takových systémů v průběhu let roste a náklady klesají, stále více vytlačují z trhu jiná, mechanicky složitější zařízení. Ti druzí se musí spokojit s oblastí motorsportu nebo plnohodnotných SUV.

Dnes jsou samosvorné procesy ve většině diferenciálů tak rychlé a plynulé, že často ani pokročilý řidič nedokáže rozlišit, zda zafungovala „samosvorka“, nucená uzávěrka, nebo zda pomohla zabránit prokluzu stabilizační elektronika. Budoucnost systémů pro přerozdělení trakce se vidí v naprosté dominanci protiprokluzových systémů pro sériově vyráběné vozy a plnohodnotných „železných“ uzávěrek pro skutečný, nekompromisní jízdu v terénu.