Samosvorný diferenciál, to je věc...

O potřebě výkonných brzd pro sportovní či dokonce závodní vůz bude pochybovat málokdo. Ale špéra neboli svorný diferenciál? Skutečně způsobí toto zařízení výraznou změnu v jízdních vlastnostech? A má cenu mít něco takového ve svém voze, i když nejsem zrovna závodní jezdec? Než se dobereme odpovědi, je potřeba si diferenciály a systémy zvyšující jejich svornost, popsat. Téma je to poněkud obsáhlé, takže dnes přinášíme první díl.

Než se vrhneme na povídání o svorných diferenciálech, tak pár slov o diferenciálu klasickém neboli otevřeném. Účel diferenciálu je asi většině motoristů notoricky znám: dovolit rozdílné otáčky hnaných kol při průjezdu vozu zatáčku. Pokud se jedná o nápravový diferenciál, pak půjde o diferenciál symetrický. To znamená, že když zvedneme auto na zvedák, zařadíme rychlost při vypnutém motoru (zablokujeme klec diferenciálu) a začneme točit levým kolem, pravé se začne otáčet stejnou rychlostí, ale opačným směrem (převodový poměr mezi koly je -1). To samé se děje za jízdy v zatáčce. Přistupme na hrátky s relativitou a představme si, že sedíme za jízdy v kleci diferenciálu. Při přímé jízdě všechna ozubená kola uvnitř diferenciálu stojí, ale v zatáčce se jedno planetové kolo začne točit vpřed a druhé vzad stejnou rychlostí. Když z klece vystoupíme, zjistíme, že tato se točí průměrnou rychlostí vůči levému a pravému kolu vozidla ((otáčky levého + otáčky pravého kola)/2).

Pro mezinápravový diferenciál se často používá i jiný převodový poměr než –1 a diferenciál je pak nesymetrický. Důvodem je snaha o nestejnoměrné rozdělení hnacího momentu mezi přední a zadní nápravu s ohledem na rozložení hmotnosti vozu.

Nápravové diferenciály jsou nejčastěji v provedení s kuželovými koly, ale mohou být i planetové s čelními koly. Pro nesymetrické diferenciály je běžná planetová konstrukce s čelními ozubenými koly.

Nevýhodu otevřeného diferenciálu poznal asi každý, kdo vjel někdy autem na sníh. Pokud jedno hnané kolo ztratí adhezi neboli klesne hnací síla, kterou je schopné toto kolo přenést, pak o stejnou míru klesne hnací síla na kole druhém, byť jeho adhezní podmínky jsou dobré. Toto je důsledek silové rovnováhy v soukolí diferenciálu. Jak víme, v extrémním případě, když je adheze jednoho kola blízká nule (led), se s vozem nerozjedeme. Podobnou zkušenost udělají divočejší řidiči při průjezdu zatáčkou. Kvůli klesající svislé síle působící na hnané kolo uvnitř zatáčky klesá i jeho tažná síla, ale stejnou měrou klesá i tažná síla zatíženého vnějšího kola. Akcelerační schopnosti vozu jsou tak výrazně sníženy. Pozitivní na této situaci je, že otevřený diferenciál vlastně působí jako pojistný ventil a nerozumného motoristu často zachrání před výletem mimo silnici (aniž by on o tom věděl). V zatáčce nás totiž drží především kolo vnější a tím, že vnitřní kolo omezuje přísun kroutícího momentu i na toto kolo máme jistotu, že nám na vnější pneumatice zůstane nějaká rezerva pro přenos bočních sil.

Z výše napsaného je zřejmé, že je občas vhodné diferenciálu jeho funkci omezit. Nejjednodušším řešením je zařízení zvané uzávěrka diferenciálu. To je většinou zubová spojka ovládaná mechanicky, hydraulicky (pneumaticky) či elektromagneticky, která pevně spojí libovolné dva členy diferenciálu. Nejčastěji jde o spojení jedné hnací hřídele kola s klecí diferenciálu. Takové jednoduché a robustní řešení je vhodné především pro terénní vozy, kdy pomůže s vyproštěním či s překonáním obtížného místa. Naopak není vhodné pro vyšší rychlosti a zpevněný povrch, i když v motoristickém sportu existují vyjímky (motokáry bez diferenciálu atd.).

Jako vhodnější se tedy jeví zařízení, které bude umět pracovat v režimu mezi volným a plně zavřeným diferenciálem a tím se konečně dostáváme k tématu diferenciálů svorných.

Než si povíme, jak funguje svorný diferenciál, tak bych poněkud netradičně vysvětlil, jak nefunguje. Nebo-li pár slov k názvosloví. Nejčastěji je totiž v češtině používán zavádějící název samosvorný diferenciál, který evokuje představu samosvornosti, jak ji známe ze strojařské teorie. Jednoduchý případ samosvornosti je klín, kterým například zablokujeme otevřené dveře. Zasuneme klín mezi dveře a podlahu (aplikujeme sílu), čímž vybudíme reakční síly mezi dveřmi a podlahou. Klín drží na místě, i když odstraníme akční sílu a to díky silové rovnováze, která nastane při dostatečně malém úhlu klínu díky třecím silám. Toto je samosvornost a přesně takto samosvorný diferenciál nepracuje. Pro blokování je potřeba určitou vstupní veličinu (nikoliv jen kopnout klín pod dveře a jít si po svém), která když zmizí, zmizí i blokování (narozdíl od klínu, který pod dveřmi drží sám, dokud o něj někdo nezakopne). Právě podle oné vstupní veličiny, která způsobuje blokování, můžeme svorné diferenciály rozdělit na diferenciály reagující na vstupní kroutící moment, na rozdíl otáček kol nebo na diferenciály semiaktivní a aktivní reagující na elektronický povel.

Začneme vysvětlením systémů reagujících na vstupní kroutící moment (moment přicházející od motoru). Idea je poměrně prostá: diferenciál je konstruován tak, aby vykazoval poměrně velké tření mezi jednotlivými svými členy. Tato třecí síla nebo lépe třecí moment je tím větší, čím je větší vstupní kroutící moment (třecí moment je vstupnímu momentu přímo úměrný). Tento třecí moment pak působí proti vzájemnému pohybu výstupních hřídelí. Přesný název je „diferenciál se zvýšeným třením“ nebo také „diferenciál se sníženou účinností“.

Šťouralové možná nyní namítnout, že žijeme v reálném světě a každý diferenciál musí vykazovat nějaké tření. Dobrá zpráva: šťouralové mají pravdu a všichni máme v autě svorný diferenciál. Špatná zpráva: tření, jaké vykazuje běžný otevřený diferenciál, je příliš nízké a při jízdě nám mnoho nepomůže.

Systémy pro zvýšení tření jsou v podstatě tři. Jedním z nich je použití zařazení lamelových spojek mezi členy diferenciálu. Takové řešení používá například firma ZF (viz. Obr.) na kuželovém diferenciálu (1). V koši diferenciálu (4) jsou na drážkách uloženy dva rozpěrací kameny (2). Tyto kameny mají ve svých čelních plochách vybroušené úkosy, do kterých zapadají čepy satelitu. Druhou čelní plochou dosedá každý z kamenů na lamelovou spojku (3). Pokud na koš satelitu působíme kroutícím momentem, je tento přenášen přes drážkování na rozpěrací kameny a dále přes úkosy na čepy satelitu. Na úkosech vzniká boční síla, která stlačuje lamelové spojky a zvyšuje tření. Výhoda tohoto řešení je v široké možnosti nastavení změnou úhlu úkosů či změnou počtu lamel spojek. Navíc je možné použít jiný úkos pro kroutící moment jdoucí od motoru na kola a jiný pro opačný směr, tedy pro brždění motorem. Proto je tento diferenciál oblíben pro závodní nasazení, ale najdeme ho i na sportovních vozech s pohonem zadních kol.

Jiný způsob jak zvýšit tření v diferenciálu je použití čelních ozubených kol se šikmými zuby, přičemž stoupání jejich šroubovice je příkré. Tento systém využívá diferenciál Torsen (Torque Sensitive). Právě velký úhel stoupání zubů způsobuje zvýšené tření v záběru kol. Zde je možnost naladění diferenciálu omezena neboť je pro změnu svornosti potřeba vyměnit ozubená kola za jiná s jiným sklonem zubů. Také maximální dosažitelný třecí moment je nižší než u předchozího řešení. Z těchto důvodů není tento diferenciál příliš vhodný pro závodění, ale zato je poměrně oblíben v sériové produkci pro všechny typy pohonu. Za všechny jmenujme mezinápravový diferenciál, dnes již legendárního Audi Quatrro.

Posledním způsobem zvýšení tření je tak zvaný kolíčkový diferenciál. Zde je kroutící moment přenášen mezi levým a pravým kolem prostřednictvím dvou křivkových bubnů, mezi kterými běhají ve svém vedení ocelové kolíky. Tření mezi kolíky a jejich vedením zvyšují ztráty a způsobují svírání diferenciálu. Tento systém není, alespoň pokud vím, v současnosti v sériové produkci používán.

Nyní si popíšeme co se děje při jízdě s těmito typy diferenciálů. Představme si, že najíždíme do zatáčky pod plynem, tedy s kroutícím momentem tekoucím skrz diferenciál směrem od motoru na kola. V okamžiku, kdy začneme zatáčet, je kolo uvnitř zatáčky zpomalováno a vnější zrychlováno. Tomu se ale svorný diferenciál brání a skrz tření přenáší část momentu z rychleji se otáčejícího kola (které tím zpomaluje) na kolo pomalejší (které tak zrychluje). Diferenciál nyní posílá větší kroutící moment na vnitřní kolo a zvyšuje tím nedotáčivost vozidla! Teprve v dalších momentech, kdy přeci jen donutíme vůz k zatočení, se začne vnitřní kolo v důsledku odstředivých sil nadlehčovat a má tendenci se roztočit rychleji, než kolo vnější (zatížené), začne téci více momentů na kolo vnější, což začne působit přetáčivě. Podobně i při brždění umožní svorný diferenciál nestejnoměrné rozložení sil na kolech. Tyto efekty může zkušený jezdec vhodně využít, nezkušený řidič může být naopak dost vyděšen. Proto u sériových vozů nejsou svorné diferenciály nastavovány příliš ostře a umožňují rozdíly momentů na kolech tak do 30ti procent, což jim umožní využít výhod bez negativních důsledků. Přínos pro sportovní jízdu je nesporný, protože svorný direfenciál umožňuje dříve a razantněji akcelerovat ze zatáčky. Ale přestaňme sportovat, výhoda svorného direrenciálu se samozřejmě projeví i za zhoršených adhezních podmínek.

Na přiloženém grafu je vidět názorně vliv svorného diferenciálu na trakční schopnosti vozu. Na vodorovné ose je trakční síla na kole s nižší adhezí (ať už vlivem nižšího svislého zatížení nebo vlivem stavu povrchu vozovky). Na svislé ose je trakční síla kola na druhé straně vozu, kde adheze není omezena. Pro otevřený diferenciál je síla na kole s vyšší adhezi stejná jako na kole s adhezí nižší. Pro svorný diferenciál kolo s vyšší adhezí přenáší vyšší hnací sílu. Sklon křivny je vyšší s rostoucí svorností (se stoupajícím poměrem třecího momentu oproti momentu vstupnímu). Jak je vidět, tento typ diferenciálu neřeší situaci, kdy je na jednom z kol nulová adheze (ledová vozovka nebo kolo ve vzduchu) a celková tažná síla vozidla je nulová, stejně jako u otevřeného diferenciálu. Proto jsou diferenciály s lamelovými spojkami často předepínány pomocí talířové pružiny, která stlačuje lamelové spojky i při nulovém momentu na vstupu. Takto vzniklý třecí moment pomáhá i v situacích s nulovou adhezí (červená čára grafu).

Jistě tušíte, že diferenciál reagující na vstupní moment není ideálním řešením. Především se tento diferenciál svírá již v přímé jízdě a nikoliv teprve v okamžiku, kdy rozdíl otáček levého a pravého kola začne být na závadu. Proto konstruktéři přišli s myšlenkou diferenciál zavírat právě v závislosti na tomto rozdílu otáček. O systémech reagujících na rozdíl otáček kol, stejně jako o systémech aktivních se budeme zabývat v druhém dílu článku. V druhém díle se též dočkáte závěru o případném přínosu svorného diferenciálu pro váš vůz.