Mechanizm różnicowy jest niezwykle ważnym elementem układu napędowego w każdym samochodzie, niezależnie od rodzaju napędu i jego przeznaczenia. Po co więc tak naprawdę w samochodach montowany jest mechanizm różnicowy?

 

Mechanizm różnicowy, jak sama nazwa wskazuje, powstał by różnicować prędkości obrotowe kół napędzanych. Może wydać się to dziwne, ale w przypadku ruchu samochodu zawsze występują okoliczności nakazujące korektę prędkości obrotowych kół napędzanej osi.

 

Korekta ta konieczna jest, gdy:
- Samochód porusza się w zakręcie
- Manewruje na drodze np. podczas wyprzedzania
- Jedzie po nierównej, pofalowanej nawierzchni

- przyspiesza na drodze o różnej przyczepności 

 

W przypadku, gdy samochód jedzie prosto, jego koła napędowe obracają się z tą samą prędkością. Samochód nie jest jednośladem, posiada więc co najmniej dwa koła napędowe oddzielone od siebie pewną odległością zwaną rozstawem kół. Jeżeli samochód porusza się w zakręcie, występuje wyraźna różnica w odległościach przebywanych przez oba koła napędowe. Aby mogły się one toczyć bez poślizgu, ich prędkość obrotowa musi być różna.

 

 

Załóżmy, że samochód skręca w lewo. Droga przebyta przez koło napędowe od wewnętrznej strony zakrętu będzie zdecydowanie krótsza, niż droga przebyta przez koło napędowe po zewnętrznej stronie łuku. W przypadku gdyby oba koła napędowe samochodu jadącego w zakręcie obracałyby się z tą samą prędkością, sterowanie samochodem było by w znaczący sposób utrudnione, gdyż ten po prostu nie miałby ochoty skręcać, a w układzie przeniesienia napędu pojawiłyby się niebezpiecznie duże siły i momenty skręcające zwane mocą krążącą.


Z tych właśnie powodów w samochodach pojawił się mechanizm różnicowy. Pierwsze mechanizmy różnicowe zaczęto stosować w samochodach już pod koniec XIX wieku. W mechanizmie różnicowym każde z kół mostu osadzone jest na osobnej półosi, a półosie napędzane są przez mechanizm różnicowy tak rozdzielający strumień mocy, że możliwe jest obracanie się kół z różnymi prędkościami obrotowymi. Najczęściej spotykanym rodzajem mechanizmu różnicowego jest mechanizm stożkowy. Obudowa mechanizmu różnicowego jest zwykle przymocowana do koła talerzowego przekładni głównej.

Półosie napędowe wsunięte są do wnętrza mechanizmu różnicowego, a na ich wielowypustowych zakończeniach osadzone są stożkowe koła zębate o zębach prostych. Są to tzw. koła koronowe.


Koła koronowe są zazębione z satelitami (stożkowymi kołami zębatymi o zębach prostych), osadzonymi obrotowo na czopach zamocowanych w obudowie mechanizmu różnicowego i obracających się wraz z nią. Ilość satelitów występujących wewnątrz mechanizmu różnicowego uzależniona jest od wartości momentu obrotowego przenoszonego przez ten mechanizm. Dzieje się tak dlatego, że cały moment napędowy przenoszony jest z satelitów na koła koronowe tylko w miejscach zazębiania się ze sobą obydwu kół. Jeżeli obydwa koła mostu, a wraz z nimi półosie i koła koronowe mechanizmu różnicowego, obracają się z tą samą prędkością, wówczas satelity nie obracają się względem czopów i mechanizm różnicowy nie pracuje. Napęd przenoszony jest na koła napędowe tak jakby to miało miejsce, gdyby były połączone sztywną osią.


Jeżeli jedno z kół zostanie zmuszone do obracania się szybciej niż drugie, wówczas różnica prędkości kół koronowych powoduje obracanie się satelitów.

Prędkość obrotowa obudowy mechanizmu różnicowego jest zawsze równa średniej arytmetycznej prędkości obrotowych obydwu kół.

Tradycyjny mechanizm różnicowy oprócz niezaprzeczalnych zalet posiada również wady. Jedną z najistotniejszych wad jest małe tarcie wewnętrzne mechanizmu, które jest szczególnie dokuczliwe w zimie i na luźnych nawierzchniach.

Załóżmy, że samochód stoi jednym kołem na asfalcie, a drugim na lodzie. W takim przypadku, by samochód efektywnie ruszył, całość momentu napędowego powinna zostać przekazana na koło posiadające lepszą przyczepność. Tak jednak się nie dzieje - koło posiadające lepszą przyczepność, by się obrócić, potrzebuje większą wartość momentu obrotowego niż moment tarcia wewnętrznego mechanizmu różnicowego. W tym właśnie momencie mechanizm różnicowy zaczyna działać i poprzez satelity moment napędowy przekazywany jest z obudowy mechanizmu różnicowego na koło posiadające mniejszą przyczepność. Na koło o lepszej przyczepności trafia wówczas niewielki ułamek momentu napędowego równy wielkości momentu tarcia wewnętrznego mechanizmu różnicowego. Możemy zatem uznać, że pojazd wyposażony w tradycyjny mechanizm różnicowy w tym przypadku będzie unieruchomiony.

Jednym z najprostszych rozwiązań podwyższających wartość momentu obrotowego dostarczanego do koła o lepszej przyczepności jest zwiększenie współczynnika tarcia wewnętrznego mechanizmu. Zabieg ten jest prosty, jednak zwiększone tarcie wewnętrzne powoduje zwiększenie strat mocy w układzie przeniesienia napędu. Producenci mechanizmów różnicowych w walce o zwiększenie trakcji poszli o krok dalej wprowadzając szereg mechanizmów różnicowych samoblokujących się (np. mechanizm różnicowy ze sprzęgłem jednokierunkowym), oraz o ograniczonym uślizgu - tzw. Limited Slip Differential - LSD (np. mechanizm różnicowy ślimakowy – TorSen). W samochodach terenowych, gdzie w określonych warunkach pożądane jest by samochód wykazywał takie właściwości, jak gdyby moment napędowy przekazywany był na koła połączone sztywną osią, standardowe mechanizmy różnicowe zostały wyposażone w hydrauliczne lub pneumatyczne blokady. W nowoczesnych samochodach drogowych za poprawę ich trakcji odpowiadają elektroniczne systemy antypoślizgowe, które przy wykorzystaniu odpowiednich czujników przyhamowują koło o mniejszej przyczepności i sprawiają, że większa wartość momentu napędowego dostarczana jest do kół napędowych o lepszej przyczepności, a samo przyśpieszanie staje się efektywniejsze.

 

W samochodach z napędem na cztery koła również odnajdziemy mechanizmy różnicowe. W przeciwieństwie do samochodów napędzanych tylko na jedną oś, w których występuje tylko jeden mechanizm różnicowy, pojazdy czteronapędowe wyposażone są w aż trzy mechanizmy różnicowe. Dwa z nich umieszczone są na osiach napędzanych a trzeci jest mechanizmem międzyosiowym. Wiemy już jak ważne jest umiejscowienie mechanizmu różnicowego na napędzanej osi i jakie funkcje on spełnia. Po cóż więc montować kolejny mechanizm różnicowy w samochodzie? W pojazdach napędzanych na cztery koła, poza różnicami w prędkościach pomiędzy napędzanymi kołami, występują również różnice w prędkościach między przednią i tylną osią. Jeżeli podczas pokonywania zakrętu prędkości przedniej, jak i tylnej osi, byłyby takie same, zaistniała by podobna sytuacja jak w przypadku braku mechanizmu różnicowego w samochodzie napędzanym na jedną oś. Znów pojawiłyby się problemy ze skręcaniem wynikające z wystąpienia niekorzystnych sił i momentów skręcających w układzie przeniesienia napędu. Centralny dyferencjał prócz dopasowania prędkości pomiędzy osiami, rozdziela moment napędowy pomiędzy przednią i tylną oś samochodu. W tradycyjnych pojazdach jest to stały stosunek (najczęściej 50/50 lub 70/30). W starszych konstrukcjach rolę centralnego dyferencjału pełnił tradycyjny mechanizm różnicowy "otwarty," często wyposażony w blokadę (Audi urQuattro) lub skomplikowane, mechaniczne mechanizmy różnicowe np. typu TorSen (Audi Quattro Sport). Obecne zaawansowane, czteronapędowe pojazdy z rajdowy rodowodem coraz częściej wyposażane są w aktywne dyferencjały, które zbierając dane z czujników komputerowo żonglują rozdziałem momentu napędowego dopasowując zachowanie samochodu do warunków panujących na drodze.