V každém automobilu najdete minimálně jeden, u některých i víc. Jeho princip je jednoduchý, málokdo jej ale opravdu zná.
Následující popis proto vysvětluje základní vlastnosti jednotlivých typů diferenciálů. Funkce a uspořádání bývají obdobné pro všechny druhy, nezáleží tedy na tom, jestli jsou jsou umístěny mezi nápravami nebo mezi koly.
Úvodem dvě základní podmínky. Točivý moment můžeme chápat jako silové působení motoru. Je důležité si uvědomit základní podmínku - aby točivá síla mohla na hřídeli vůbec působit, potřebuje nezbytně na opačné straně nějaký odpor působící proti ní. Bez odporu žádný točivý moment nevznikne. Také v praxi, pokud budeme mít zařazený neutrál a přidáme plyn, motor zvýší otáčky ale bez zatížení nebude produkovat žádný točivý moment přestože by podle výrobce měl mít spoustu Newtonmetrů.
Je také nutné důsledně rozlišovat pojmy točivý moment a otáčky. Točivý moment jakožto silové působení může existovat i u hřídele, která se vůbec neotáčí, a naopak hřídel otáčející se volně bez odporu nebude přenášet žádný točivý moment.
A nyní k diferenciálům
Diferenciál je mechanický prvek umožňující rozdělení pohonu na dva výstupní hřídele. Podle svého provedení upravuje rozdělení přiváděného točivého momentu a dovoluje rozdílné otáčky obou výstupů. To je potřebné především v zatáčkách, kdy jednotlivá kola opisují odlišné dráhy. Rozeznáváme v zásadě diferenciály otevřené (klasické) a diferenciály s nějakým druhem závěrky.
Otevřený diferenciál
Otevřený diferenciál je nejrozšířenějším typem v motorových vozidlech. Je tvořen obvykle klecí se dvěma volně otočnými kuželovými ozubenými koly, která zabírají do ozubených kol na výstupních hřídelích. Celá klec je poháněna od převodovky. Přiváděný točivý moment se tak rozděluje na oba výstupy vždy rovným dílem, tj. v procentech 50:50 (například 1600Nm rozděluje na 800Nm+800Nm).
Otevřený diferenciál nikdy neposkytne jednomu výstupu větší moment než druhému, bez ohledu na rozdíl jejich otáček, prokluz nebo zatížení kol. Pokud dojde ke snížení adheze jednoho kola natolik, že začne prokluzovat, sníží se jeho odpor proti otáčení a tím i přiváděný moment. To má však za následek i okamžité snížení momentu o stejnou hodnotu na druhém neprokluzujícím kole. Obě kola tak táhnou méně, jedno sice prokluzuje a točí se výrazně rychleji, ale momenty a tažné síly obou se nadále rovnají (např. 600Nm+600Nm, v procentech stále 50:50). Je zřejmé, že snížení tažné síly jednoho kola se tak projeví vlastně dvojnásobně a celkový tah auta výrazně poklesne.
Na obrázcích je vidět funkci diferenciálu při stejných otáčkách výstupních hřídelí. Modře označené talířové kolo pohání přes zeleně označený satelit planetová kola žluté i červené výstupní hřídele. Pokud se obě výstupní hřítele točí stejnou ruchlostí, satelit se vůči talířovému kolu neotáčí.
Když je levá (červená) hřídel zablokována, zeleně označený satelit se začne otáčet a druhá (žlutá) výstupní hřídel se roztočí dvojnásobnou rychlostí.
Diferenciál se závěrkou
Aby se zabránilo poklesu momentu na neprokluzujícím kole, jsou otevřené diferenciály doplňovány tzv. závěrkou. Závěrkou se rozumí určitá forma vzájemného propojení obou výstupních hřídelí, která napomáhá vyrovnání jejich otáček a převádí část momentu z jednoho výstupu na druhý. Přenosem nadbytku momentu z protáčejícího se kola na druhé s lepší adhezí se jednak omezí protáčení prvního a zároveň zvýší tah druhého kola. Propojení může být částečné nebo úplné.
Úplná závěrka spojí výstupy napevno bez možnosti rozdílu otáček, jakoby auto mělo pevnou hnací osu. Často se chybně udává, že se přiváděný moment v takovém případě rozděluje v pevném poměru 50:50. Není to pravda, moment se tady rozděluje naprosto nekontrolovaně a to pouze v závislosti na okamžitých odporech každého kola. Pro snadnější pochopení, rozdělení 50:50 by bylo jen za ideálního stavu - jízda v přesně rovném směru po dokonalé rovině a s koly shodného průměru. Stačí však aby se jedno kolo třeba z důvodu nerovnosti nadzvedlo. Ihned ztratí adhezi a celou tažnou sílu přebírá kolo druhé, jehož moment tak nejenže nepoklesne, ale dokonce se v ideálním případě až zdvojnásobí. Poměr momentů je náhle 100:0 (v příkladu 1600Nm + 0Nm) a je zřejmé, že ke změně došlo bez jakékoliv cílevědomé činnosti uzávěrky. Poměr momentů u pevného propojení může proto kolísat v rozsahu 0:100 až 100:0 a jeho okamžitá hodnota je závislá pouze na vnějších podmínkách.
Úplná závěrka má sice největší účinek, zároveň však zcela ruší základní funkci diferenciálu. Tím že nedovolí ani nejmenší rozdíl v rychlosti obou kol je omezeno její použití jen na kluzký povrch. Pro trvalou funkci na všech druzích povrchu se proto používá kompromisní řešení ve formě diferenciálů s omezeným prokluzem (LSD, samosvorné). Obsahují obvykle viskózní spojku, třecí spojku nebo šnekové soukolí a umí do značné míry omezit protáčení kol a zároveň dovolí jejich odlišnou rychlost v zatáčkách.
Samosvorný diferenciál Torsen
Samosvorný diferenciál s viskózní spojkou (citlivý na rozdíl otáček)
Závěrka s viskózní spojkou propojuje oba výstupní hřídele a při rozdílu jejich otáček začne přenášet moment z rychlejšího výstupu na pomalejší - je citlivá na rozdíl jejich otáček. Podle provedení se v extrémním případě uzavře prakticky úplně a umožní stejné rozdělení momentu jako úplná závěrka. Při malém rozdílu otáček však zůstává téměř otevřená, tj. rozdělení je přibližně 50:50.
Uzávěrka diferenciálu
Podobně třecí spojka nebo šnekové soukolí (Torsen) momentově propojí výstupy navzájem při snížení odporu jednoho z nich, jsou tedy citlivé na rozdíl výstupních momentů. Zároveň nejsou závislé na otáčkách a neumí se uzavřít úplně. Například Torsen obvykle účinkuje až do poměru 75:25. To znamená, že v případě snížení adheze - momentu jednoho kola dokáže přenést až trojnásobek jeho sníženého momentu na kolo druhé (1200Nm + 400Nm). Pokud se odpor kola s malou adhezí zmenší ještě více, nedokáže už torsen přenést více momentu a kolo se začne protáčet. Torsen sice nadále zachová poměr 75:25 ale všechny momenty se sníží (např. na 600Nm + 200Nm). V praxi je ovšem funkce ještě poněkud složitější.
Méně často se montují do aut tzv. aktivní diferenciály, což je řešení většinou odvozené od uzávěrky s viskózní spojkou. Účinek viskózní kapaliny je zde nahrazen dokonalejším nuceným ovládáním a elektronickým řízením, silové poměry jsou však obdobné.
Samostatnou kapitolou jsou ještě mezinápravové spojky typu Haldex, xDrive apod. sloužící k řízenému přenosu točivého momentu od jedné trvale poháněné nápravy na nápravu druhou. I když se v tomto případě nejedná o diferenciál, spojka jeho funkci do určité míry nahrazuje. Spojka v základním stavu přenese jen minimální moment, ale v případě potřeby zcela spojí otáčkově obě nápravy. Při úplně sepnuté spojce platí stejně jako u diferenciálu s úplnou závěrkou, že moment se nerozděluje na obě nápravy v pevném poměru 50:50 ale může opět kolísat v rozsahu 0:100 až 100:0 v závislosti na adhezních schopnostech jednotlivých kol.
Mezinápravový diferenciál s čelními koly (1), umístěný před rozvodovkou se stálým převodem a diferenciálem zadní nápravy (2) a doplněný viskózní spojkou (3).
Poznámka: V popisech nejsou pro zjednodušení zahrnuty setrvačné účinky v pohonu při náhlé změně otáček a další komplexnější vlivy. Stejně tak nejsou uvedeny diferenciály s nesouměrným rozdělením točivého momentu.