TEHNIKA: Diferencijali i kako oni funkcionišu

Većina vozača zna da je diferencijal bitna komponenta bez koje nema vožnje, ali retko koji zna kako ovaj mehanički sklop zapravo funkcioniše

U članku koji je pred nama, objasnićemo na jednostavan način pojam diferencijal i princip rada diferencijala, komponente koja je poslednja stanica do koje dolazi pogonska sila neposredno pre nego što će biti poslata na točkove.

Diferencijali imaju tri osnovna zadatka:

• Da usmeravaju snagu iz motora na točkove
• Da funkcionišu kao finalni reduktor, usporavajući rotacionu brzinu transmisije pre nego što ona stigne do točkova
• Da prenose pogonsku silu na točkove u isto vreme im omogućavajući da se okreću različitim brzinama (po čemu je diferencijal i dobio ime)

U ovom članku, saznaćete zašto je vašem automobilu neophodan diferencijal, kako funkcioniše i koji su mu nedostaci. Takođe, proučićemo nekoliko različitih tipova diferencijala s ograničenim proklizavanjem.

Zašto nam je potreban diferencijal?

Točkovi automobila se okreću različitim brzinama, posebno prilikom skretanja. Razlog je jednostavan, unutrašnji točak u tom slučaju prelazi manji put od spoljnog. S obzirom na to da je brzina jednaka u odnosu na pređenu distancu, ona se deli vremenom potrebnim da se ta distanca pređe. Točkovi koji prelaze kraću distancu samim tim se kreću sporije. Ono što takođe treba primetiti je da prednji točkovi prelaze drugačiju distancu u odnosu na zadnje.

Što se nepogonskih točkova na automobilu tiče, prednjih kod automobila sa zadnjim pogonom, odnosno zadnjih kod vozila s pogonom napred, ovo nije problem. Nema konekcije između njih tako da se okreću nezavisno. Međutim, pogonski točkovi su povezani na motor, a transmisija može da okreće i jedan i drugi. Kada vaš automobil ne bi imao diferencijal, točkovi bi bili „zaključani“, odnosno okretali bi se podjednakom brzinom. Ovo bi skretanje učinilo teškim, a opterećenje na vozilo bi bilo poprilično.

Da bi automobil mogao da skrene na zadovoljavajući način, jedna guma mora da proklizava. S modernim pneumaticima i asfaltnim putevima, potrebna je velika sila da bi se gume naterale na proklizavanje. Ta sila bi trebalo da bude prenesena preko osovine s jednog točka na drugi, što stavlja veliko opterećenje na komponente osovine.

Šta je diferencijal?

Diferencijal je sklop koji deli obrtni moment motora u dva smera, omogućavajući svakom točku ponaosob da se okreće različitom brzinom.

Diferencijal se nalazi na svim modernim automobilima i kamionima, kao i na brojnim vozilima s pogonom na sve točkove. Ovim vozilima je neophodan diferencijal između pogonskih točkova, i potreban im je jedan između prednjih i zadnjih, jer prednji točkovi prelaze različitu distancu u krivini u odnosu na zadnje.

Sistemi s povremenim pogonom na sve točkove nemaju diferencijal između prednjih i zadnjih točkova. Umesto toga, oni su zajednički „zaključani“, tako da prednji i zadnji točkovi moraju da se okreću istom prosečnom brzinom. Iz ovog razloga vozila opremljena takvim sklopovima teže skreću kada je integralni pogon angažovan.

Klasični diferencijali

Započećemo s najjednostavnijim tipom diferencijala – klasičnim.

Kada se automobil kreće pravolinijski, oba pogonska točka se okreću istom brzinom. Ulazni pogonski zupčanik okreće tanjirasti zupčanik diferencijala i kavez ležaja, dok se nijedan od manjih pogonskih zupčanika unutar kaveza ne kreće. Obe strane zupčanika su efektivno fiksirane za kavez.

Imajte u vidu da je ulazni pogonski zupčanik manji od tanjirastog; ovo je samim tim poslednja redukcija u okviru pogonskog sklopa. Verovatno ste čuli za termine kao što su „prenosni odnos zadnje osovine“ ili „sistem zupčanika koji vrši konačan prenos snage na točkove“. Oni se odnose na prenosni odnosu u diferencijalu. Ukoliko je odnos konačnog prenosa 4,10, onda tanjirasti zupčanik ima 4,10 puta više zubaca u odnosu na ulazni pogonski zupčanik.

Kada automobil skreće, točkovi se moraju okretati različitim brzinama.

Diferencijali i prijanjanje

Klasičan diferencijal uvek primenjuje istu količinu obrtnog momenta na svaki točak. Postoje dva faktora koja određuju koliko obrtnog momenta može biti poslato na točkove: oprema i prijanjanje. U suvim uslovima, kada vozilo raspolaže visokim stepenom prijanjanja, količina primenjenog obrtnog momenta na točkove je ograničena motorom i sistemom zupčanika.

U situacijama kada je prijanjanje slabo, poput vožnje po ledu, količina obrtnog momenta je limitirana na najveći stepen koji neće izazvati proklizavanje točkova. Dakle, mada motor može da proizvede više obrtnog momenta, potrebno je adekvatno prijanjanje da bi obrtni moment mogao da se prenese na voznu podlogu. Ukoliko dodate gas nakon što točkovi počnu da proklizavaju, oni će samo proklizavati još brže.

Na ledu

Ukoliko ste već vozili po ledu, verovatno znate za trik koji će vam pomoći da lakše ubrzate: ako startujete u drugom stepenu prenosa, pa čak i trećem, umesto prvog, na točkove će zbog sistema zupčanika u menjaču biti poslato manje obrtnog momenta. Ovo će omogućiti lakše ubrzanje na ledu, bez proklizavanja točkova.

Šta se dešava ukoliko jedan pogonski točak ima dobro prijanjanje, dok je drugi na ledu? E, sada smo stigli do problema koji muči klasične diferencijale.

Imajte na umu da klasičan diferencijal uvek isporučuje podjednak obrtni moment na pogonske točkove, a maksimalan stepen obrtnog momenta je ograničen na onaj koji neće izazvati proklizavanje točkova. Znamo da nije potrebna velika sila da guma prokliže na ledu. Šta ako točak s dobrim prijanjanjem dobija samo tu malu količinu obrtnog momenta, kojom je ograničen onaj drugi koji se nalazi na ledu? Pa, automobil se baš i neće pomeriti.

Terenska vožnja

Još jedan slučaj u okviru kojeg klasični diferencijali mogu upasti u nevolju je terenska vožnja. Ukoliko imate vozilo s pogonom na sve točkove, s klasičnim diferencijalima napred i pozadi, mogli biste da se zaglavite. Šta smo konstatovali u prethodnom delu članka? Klasični diferencijali uvek primenjuju isti diferencijal na oba pripadajuća točka. Ukoliko jedan točak napred i jedan pozadi izgube kontakt s tlom, jedino što će moći je da se bespomoćno vrte u vazduhu, a automobil neće moći da se pomeri ni za pedalj.

Solucija za ove probleme se zove „diferencijal s ograničenim proklizavanjem“. Ovo rešenje koristi različite mehanizme da bi obezbedilo normalnu funkciju diferencijala prilikom prolaska krivina. Kada točak proklizava, on dozvoljava da više obrtnog momenta bude poslato na točak koji ne proklizava.

U narednih par sekcija ćemo se detaljnije pozabaviti nekim različitim tipovima diferencijala s ograničenim proklizavanjem. Uključujući onaj s lamelastim spojnicama, zatim s hidrauličnom spojnicom, s blokadom i čuveni Torsen.

Diferencijal s ograničenim proklizavanjem s lamelastim spojnicama

Ovaj tip, koji najčešće ide uz skraćenicu „LSD“, je verovatno najraširenija verzija diferencijala s ograničenim proklizavanjem. Neka od ovih rešenja poseduju konusno kvačilo koje igra ulogu koju imaju sinhroni u manuelnim menjačima.

On ima sve iste komponente kao i klasičan diferencijal, ali u priču uvodi i paket opruga i garnituru lamelastih spojnica.

Opruge guraju bočne zupčanike na spojnice, koje su spojene na kavez. Oba bočna zupčanika se okreću zajedno s kavezom kada su oba točka u pokretu pri istoj brzini, tako da spojnice u ovom slučaju nisu ni potrebne. One ulaze u igru isključivo u slučaju kada jedan točak počne da se okreće brže od drugog, kao prilikom vožnje u krivinama. Spojnice se opiru ovom ponašanju, težeći tome da se oba točka kreću podjednakom brzinom. Ako jedan točak „želi“ da se okreće brže od drugog, on najpre mora da savlada spojnicu. Krutost opruga kombinovana s trenjem spojnice određuje koliko je obrtnog momenta neophodno da se to postigne.

Vratimo se na situaciju u kojoj se jedan pogonski točak nalazi na ledu a drugi ima dobro prijanjanje. S ovim tipom diferencijala s ograničenim proklizavanjem, bez obzira što točak na ledu ne može da isporuči mnogo obrtnog momenta, drugi će i dalje dobiti silu neophodnu za kretanje. Obrtni moment koji pristiže do točka koji nije na ledu, jednak je količini obrtnog momenta potrebnog da se nadvladaju spojnice. Rezultat se ogleda u tome da se možete kretati napred, mada i dalje bez pune snage koju motor može da isporuči.

Diferencijal s ograničenim proklizavanjem s hidrauličkom spojnicom

Hidraulička spojnica se često nalazi u vozilima s pogonom na sve točkove. Redovno se koristi za povezivanje zadnjih točkova s prednjim, tako da kada jedan tandem točkova počne da proklizava, obrtni moment će biti prenesen na drugi.

Hidraulička spojnica ima dve garniture lamela unutar zapečaćenog kućišta, koje je napunjeno gustom tečnošću. Jedna garnitura lamela je povezana za svako izlazno vratilo. Pod normalnim okolnostima, obe garniture lamela i hidraulička tečnost, okreću se istom brzinom. Kada jedan par točkova pokuša da se okreće brže, recimo zbog proklizavanja, garnitura lamela zadužena za njih se okreće brže od druge. Hidraulička tečnost, stešnjena između lamela, pokušava da drži korak s bržim diskovima, povlačeći u tom procesu one sporije. Ovo prenosi više obrtnog momenta na sporije pokretane točkove, one koji ne proklizavaju.

Kada automobil skreće, razlika u brzini između točkova nije tako velika kao kada jedan točak proklizava. Što su lamele brže jedna u odnosu na drugu, hidraulička spojnica prenosi više obrtnog momenta. Spojnica ne ometa skretanje, jer je količina obrtnog momenta preneta tokom ovog manevra mala. Međutim, ovo takođe ukazuje na nedostatke hidrauličke spojnice – neće doći do transfera obrtnog momenta sve dok točak zaista ne počne da proklizava.

Jednostavan eksperiment sa jajetom će moći da objasnimo ponašanje hidrauličke spojice. Ukoliko postavite jaje na kuhinjski sto, i ljuska i žumance su statični. Ukoliko iznenada zavrtimo jaje poput čigre, ljuska će se inicijalno okretati brže od žumanceta, ali će žumance ubrzo uhvatiti priključak. Da bismo dokazali da se ono okreće, zaustavićemo naglo jaje a zatim ga pustiti. Ono će ponovo početi da se vrti, sem ako nije tvrdo kuvano, naravno.

U ovom eksperimentu, iskoristili smo trenje između ljuske i žumanceta, da bismo primenili silu na žumance, ubrzavši ga. Kada smo zaustavili ljusku, trenje između žumanceta koje je i dalje u pokretu i ljuske, primenilo je ponovo silu na ljusku nanovo je pokrenuvši. U hidrauličkoj spojnici, sila se primenjuje između tečnosti i garniture lamela, po istom principu kao što se to dešava s ljuskom jajeta i žumancetom.

Blokada i Torsen

Blokada diferencijala je veoma korisna za zahtevnu terensku vožnju, tako da je poslovično prisutna kod rasnih „off-road“ vozila. Ovaj tip diferencijala ima iste komponente kao klasičan diferencijal, ali dodaje električni, pneumatski ili hidraulički mehanizam da bi se zajednički zaključala dva izlazna zupčanika.

Ovaj mehanizam se obično aktivira manuelnim putem, preko prekidača. Kada se to uradi, oba točka na jednoj osovini će se okretati istom brzinom. Ukoliko jedan točak izgubi kontakt s tlom, drugi će i dalje da pokreće vozilo. Oba točka nastavljaju da se vrte istom brzinom, kao da se ništa nije promenilo.

Torsen diferencijal je čisto mehanički sklop, ne poseduje elektroniku, lamelaste spojnice niti hidrauličku tečnost.

Torsen (od Torque Sensing) funkcioniše kao klasičan diferencijal, odnosno kruta veza, kada je količina obrtnog momenta koja ide na točkove podjednaka. Čim jedan točak počne da gubi prijanjanje, razlika u obrtnom momentu uzrokuje da se zupčanici u Torsen diferencijalu spajaju. Dizajn zupčanika u diferencijalu određuje odnos odstupanja obrtnog momenta. Primera radi, ako je neki Torsen diferencijal dizajniran s odnosom odstupanja 5:1, on je sposoban da primeni pet puta više obrtnog momenta na točak koji ima bolje prijanjanje.

Torsen se često koristi u visokoperformantnim terenskim vozilima zbog svojih performansi i pouzdanosti. Poput hidrauličke spojnice, on se često koristi za prenos snage između prednjih i zadnjih točkova. U okviru ove primene, on je superioran u odnosu na hidrauličku spojnicu. To je zato što prenosi obrtni moment na stabilne točkove pre nego što dođe do proklizavanja, što znači da mu je odziv izuzetno brz.

Međutim, ukoliko jedan par točkova u potpunosti izgubi prijanjanje, Torsen diferencijal neće biti sposoban da isporuči željeni obrtni moment na ostale točkove. Odnos odstupanja određuje koliko obrtnog momenta će biti preneseno, a pet puta nula je – nula.

U nekim narednim člancima na temu automobilske tehnike ćemo se detaljnije pozabaviti različitim vrstama diferencijala. Pre toga, ukoliko niste, pročitajte ostale tekstove našeg automobilskog bukvara. Nedavno smo pisali o kočnicama, pre toga o turbopunjačima, kao i o ogibljenju , EGR ventilu, pa i o evoluciji benzinskih motora. 

Pavle Barta