Diferenciál, jak vlastně funguje?

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).

Klepněte pro větší obrázek Klepněte pro větší obrázek

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.

Klepněte pro větší obrázek Klepněte pro větší obrázek

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.

Klepněte pro větší obrázek 
Samosvorný diferenciál Torsen
Klepněte pro větší obrázek Klepněte pro větší obrázek
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.

Klepněte pro větší obrázek
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.

Klepněte pro větší obrázek
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.

bazar

MINI Mini 1,6
Rok výroby: 2009
Stav: 66 564 km
Cena: 163 000 Kč
MINI Coupe 1,6
Rok výroby: 2012
Stav: 34 034 km
Cena: 290 000 Kč
MINI Mini 1,6
Rok výroby: 2003
Stav: 173 744 km
Cena: 100 000 Kč
MINI Mini 1,6
Rok výroby: 2007
Stav: 97 288 km
Cena: 250 000 Kč
MINI Countryman 1,6
Rok výroby: 2013
Stav: 47 983 km
Cena: 378 000 Kč
MINI Mini 1,4
Rok výroby: 2009
Stav: 156 911 km
Cena: 130 000 Kč
Nabídka dalších vozů
Test Fiatu Fullback: Převlečené Mitsubishi se jeví jako správná volba

Fiat Fullback

Fiat se po vzoru Renaultu a Mercedesu také rozhodl nabízet pracovní pickup, který původně pochází z úplně jiné dílny. A rozhodl se více než správně, protože Fiat Fullback alias Mitsubishi L200 je vynikajícím pracovním pickupem. V terénu má dost potence a na silnici dostatek kultivovanosti.

včera | Jiří Švamberk | 2 příspěvky
Test Renaultu Koleos: Druhý pokus je o dost lepší, ale není ozdob moc?

Renault Koleos

Tentokrát jsme se v naší recenzi zaměřili na druhou generaci Renaultu Koleos. Od předchůdce se vzdálil mílovými kroky.

17.  8.  2017 | Milan Lažanský | 4 příspěvky
Test Suzuki Ignis: Nejlevnější čtyřkolka boduje i tam, kde byste nečekali!

Suzuki Ignis

Naší recenzí tentokrát prošlo Suzuki Ignis - nejlevnější čtyřkolka na českém trhu.

13.  8.  2017 | Milan Lažanský | 34 příspěvků