Co to są mechanizmy różnicowe? – budowa i zastosowanie

Co to są mechanizmy różnicowe? – budowa i zastosowanie

Mechanizm różnicowy, przekładnia różnicowa bądź dyferencjał – pojęcia te nie dla każdego od razu wydają się zrozumiałe. Jeśli jesteś w tej grupie przychodzimy z pomocą 😉

W tym artykule przedstawiona została idea mechanizmu różnicowego, rozpoczynając od jego historii, poprzez budowę, aż po zastosowanie. Skupiono się także na poszczególnych rodzajach tego rozwiązania, dzięki czemu znajdziesz tu opis dyferencjałów z przekładnią planetarną, jak i o ograniczonym poślizgu typu TORSEN. Wyjaśnimy także działanie szpery płytkowej, aktywnego dyferencjału oraz mechanizmu różnicowego automatycznego Krasikova (DAK)

Historia różnych typów mechanizmów różnicowych

Historia mechanizmu różnicowego sięga odległych czasów. Uznaje się, że pierwszym wynalazcą, który stworzył tego typu mechanizm, był chiński konstruktor Ma Jun, który około 240 r.n.e wpadł na pomysł stworzenia mechanicznego kompasu (figurki, która swoją ręką wskazywała kierunek południowy), umieszczonego na starożytnym dwukołowym rydwanie. Działanie tego kompasu opierało się na zastosowaniu mechanizmu różnicowego, czyli najprościej pisząc przekładni mechanicznej zębatej, która za pomocą odpowiednich kół zębatych przenosi moc oraz zmienia parametry ruchu.

Kolejnym wynalazcą, który znacząco przyczynił się do rozwoju mechanizmów różnicowych był francuski zegarmistrz Onésiphore Pecqueur, który jako pierwszy opatentował dyferencjał w 1827 r.

Konstrukcja ta, polegała na zastosowaniu łańcucha, w celu przeniesienia napędu na tylne koła z możliwością zmiany stosunku prędkości obrotu dwóch kół znajdujących się na jednej osi. Stworzony przez niego mechanizm działał poprawnie na nawierzchniach twardych i suchych, natomiast w przypadku mokrej nawierzchni nie był już tak skuteczny – dochodziło do uślizgu kół pojazdu. Onésiphore Pecqueur z wykształcenia był zegarmistrzem. Zdobyta w czasie pracy wiedza na temat funkcjonowania mechanizmów stosowanych w zegarkach, w tym kół zębatych pomogła mu stworzyć i opatentować jego innowacyjny wynalazek.

Po niespełna 50 latach od opatentowania konstrukcji Pecqueura, konstruktor rowerów James Starley, zaprezentował swoją ideę mechanizmu różnicowego, powstałą w celu udoskonalenia jego trójkołowego roweru. Koncepcja ta była na tyle dopracowana, że po dziś dzień mechanizmy spełniające jej najważniejsze założenia, tylko oczywiście udoskonalone, są stosowane we współczesnych samochodach. Wynalazek ten był krokiem milowym, bowiem znany niemiecki inżynier Carl Benz posłużył się pomysłem Jamesa i postanowił zbudować swój pierwszy trójkołowy automobil wyposażony w silnik spalinowy oraz mechanizm różnicowy napędzający koła tylne przy pomocy bocznych łańcuchów.

Warto jeszcze wspomnieć o dwóch amerykańskich twórcach, czyli Alexandrze Brownie oraz Vernonie Gleasmanie. Byli oni twórcami rewolucyjnego jak na XX wiek wynalazku – samoblokującego mechanizmu różnicowego. Pierwszy z nich odpowiedzialny był za stworzenie mechanizmu z blokadą, która była zbudowana z dwóch przekładni ślimakowych połączonych walcowymi kołami zębatymi. Pomysł ten został rozwinięty w 1951 roku przez drugiego inżyniera Vernona Gleasmana, który opatentował samoblokujący się mechanizm różnicowy. Jego działanie w głównej mierze opierało się na wykorzystaniu właściwości przekładni ślimakowej, bez konieczności stosowania  dodatkowych mechanizmów sterowanych hydraulicznie czy elektronicznie. Ten rodzaj dyferencjału znany jest współcześnie pod nazwą TORSEN (z angielskiego TORque – moment obrotowy oraz SENsing – wyczucie). Mechanizm ten zasłynął dzięki zastosowaniu go w kultowym napędzie Audi Quattro. Oczywiście z biegiem czasu ewoluował i na dzień dzisiejszy mamy już czwartą generacje tego legendarnego napędu.

Pokrótce przedstawiliśmy Wam inżynierów, odpowiedzialnych za powstanie i dalszą modernizację mechanizmu różnicowego. Obecnie, układ ten jest ciągle rozwijany i dopracowywany poprzez dodawanie kolejnych usprawnień, jednak mimo upływu lat i rozwoju techniki, główna idea pozostała niezmienna. Po tym krótkim wstępnie historycznym nieco bardziej skupimy się na poszczególnych rodzajach mechanizmów różnicowych oraz ich budowie.

Budowa i rodzaje mechanizmów różnicowych

Budowa większości klasycznych mechanizmów różnicowych jest podobna i można w niej wyróżnić główne elementy składowe, takie jak:

• Koło talerzowe, przymocowane do obudowy mechanizmu, które jest napędzane przez współpracujące z nim koło zębate osadzona na wałku napędowym, przenoszącym moment obrotowy z silnika
• Koła koronowe, osadzone na każdej z półosi napędowych przy pomocy wielowypustu
• Satelity, czyli koła zębate, które osadzone w odpowiedni sposób np. na krzyżaku, mogą wykonywać oprócz obrotu wokół własnej osi, dodatkowy ruch obiegowy.

Elementy te są ze sobą zamknięte w obudowie tylnego lub przedniego mostu oraz w odpowiedni sposób wyregulowane w celu płynnej i bezawaryjnej pracy.

To właśnie złożony ruch satelitów jest odpowiedzialny za działanie mechanizmu – umożliwia on obrót kół koronowych z różnymi prędkościami. Im bardziej spadnie prędkość jednej z półosi, tym bardziej wzrośnie prędkość obrotowa drugiej z nich.

Dopóki jazda odbywa się w linii prostej, na suchej nawierzchni o dobrej przyczepności, układ przekazuje napęd równomiernie na oba koła koronowe (koła samochodu obracają się z taką samą prędkością). Gdy samochód pokonuje zakręt, koło samochodu poruszające się po zewnętrznej zakrętu może obracać się szybciej, a koło bliższe wewnętrznej – wolniej.

Kiedy dojdzie do całkowitego zatrzymania jednego z kół, cały moment jest przekazywany na drugie. Prowadzi to do oczywistego problemu: w przypadku, gdy jedno z kół znajduje się na podłożu o dobrej przyczepności, natomiast drugie straci przyczepność (np. oderwie się od podłoża), to automatycznie cały moment obrotowy jest przekazywane na koło o słabej przyczepności, co uniemożliwia ruch pojazdu. W takich sytuacjach konieczne jest zastosowanie mechanizmów różnicowych o ograniczonym poślizgu, czyli tzw. szper.

Mechanizm różnicowy o ograniczonym poślizgu – TORSEN

Aby rozwiązać problem przekazywania momentu obrotowego na koło o mniejszej przyczepności, występujący w klasycznych, najprostszych konstrukcjach mechanizmów różnicowych, konieczne było opracowanie innego typu dyferencjału, który pozwalałby na ograniczenie działania w przypadku przekroczenia pewnego poziomu uślizgu. Takie urządzenia noszą nazwę mechanizmów różnicowych o ograniczonym poślizgu, czyli tzw. szper (niem. Sperrdifferenzial).

Jednym z nich jest mechanizm TORSEN wynaleziony przez wspomnianego wcześniej amerykańskiego inżyniera Verna Gleasmena. TORSEN działa w czysto mechaniczny sposób, przy stosunkowo prostej konstrukcji pozbawionej komponentów elektronicznych, czy dodatkowych sprzęgieł. Potrafi on samoczynnie przenieść moment obrotowy na oś o większej przyczepności do podłoża. Wynalazek ten został zgłoszony do biura patentowego w 1958 roku. Głównym elementem tego systemu są przekładnie ślimakowe oraz koła zębate o zębach śrubowych, charakteryzujące się bardzo wysokim tarciem wewnętrznym.

Sam mechanizm wykorzystuje główną właściwość przekładni ślimakowej, tzn. samohamowność. Ze względu na duże wartości przełożeń pomiędzy ślimakiem a ślimacznica, ruch może odbywać się jedynie w przypadku, gdy ślimak napędza ślimacznicę. W odwrotnej sytuacji dochodzi do samoczynnego zablokowania się mechanizmu. Właśnie ta cecha jest główną zaletą mechanizmu TORSEN. W przypadku, gdy samochód porusza się po prostej drodze o dobrej przyczepności system działa jak zwykły mechanizm różnicowy. W przypadku, gdy pojawi się różnica w prędkości obrotowej, czyli jedna z osi zacznie się szybciej obracać, nastąpi zablokowanie mechanizmu i przeniesienie momentu na półoś o mniejszej prędkości, a tym samym lepszej przyczepności.

W podstawowej wersji TORSEN zawiera trzy pary zazębień ślimakowych. W każdej parze ślimaki połączone są ze sobą przy pomocy kół zębatych o zębach prostych, które powoduję, że ślimaki pracują z taką samą prędkością, lecz w przeciwnych kierunkach. Jednocześnie, każda para ślimaków współpracuje ze ślimacznicą, a ta z kolei połączona jest z półosiami wyprowadzonymi z mechanizmu na lewe oraz prawe koło. Rozwiązanie to jest bardzo trwałe i skuteczne ze względu na dużą wytrzymałość kół zębatych. Obecnie możemy się spotkać z 3 typami mechanizmu TORSEN:

1. T-1 – posiada przekładnie planetarną typu „INVEX” (śrubowa o zębach kołowo-łukowych)
2. T-2 – posiada przekładnie planetarną typu „EQUVEX” (walcowa o zębach śrubowych)
3. T-2R – wersja sportowa
4. T-3 – przekładnia planetarna (walcowa o zębach śrubowych o zębach wewnętrznych)

Mechanizm różnicowy o ograniczonym poślizgu – Szpera płytkowa

Kolejnym mechanizmem, który chce przedstawić jest szpera płytkowa. Budowa tego mechanizmu oparta jest na użyciu sprzęgieł ciernych. Jest to mechanizm najczęściej stosowany w motosporcie oraz pojazdach terenowych.

Szpera płytkowa jest jednym z rodzajów mechanizmów różnicowych o ograniczonym poślizgu wewnętrznym. Zasada działania opiera się na wykorzystaniu różnicy momentów obrotowych między kołami do częściowego zblokowania mechanizmu. Wykorzystuje się do tego płytkowe mechanizmy spinające dyferencjał, tj. ograniczające wzajemny poślizg kół jednej osi lub obu osi względem siebie.

Budowa szpery tego typu opiera się na zastosowaniu płytek ciernych, które umieszczone są wewnątrz mechanizmu różnicowego. Płytki te z kolei dociskane są przez kosze satelitów w zależności od działającego momentu na daną półoś. Kosze satelitów mają specjalne wycięcia, w których umieszczone są ramiona krzyżaka, na którym zamocowane są cztery satelity. Moment obrotowy przenoszony jest na krzyżak, który za pomocą satelitów połączony jest z półosiami i im większy moment obrotowy działa na krzyżak, tym mocniej rozpycha on kosze satelitów, które z większą siłą ściskają płytki cierne, a te poprzez tarcie sprzęga obydwie półosie, przez co otrzymujemy częściowo zblokowany mechanizm.

Podczas jazdy na wprost, szpera działa jak zwykły mechanizm różnicowy. Jej działanie ujawnia się np. podczas pokonywania zakrętów. Koło po wewnętrznej stronie na zakręcie zawsze jest odciążane wskutek działania siły odśrodkowej, przez co jego przyczepność jest niższa. Moment obrotowy jest przekazywany właśnie na to koło . To powoduję, że samochód traci możliwość przyspieszania w zakręcie, aż do momentu wyprostowania kół. Zastosowanie szpery powoduje, że napęd jest dystrybuowany również na koło zewnętrzne, dzięki czemu możemy przyspieszać podczas pokonywania zakrętu.

Szpera ma istotne zastosowanie w wyścigach oraz rajdach samochodowych, gdzie ważna jest dynamika pojazdu, a momenty obrotowe silników osiągają duże wartości. Dla samochodów przednionapędowych szpera poprawia właściwości skrętne powodując delikatną nadsterowność, a dla samochodu tylnonapędowego wiąże się to z dużą nadsterownością. Właściwości korzystne dla profesjonalistów mogą okazać się niebezpieczne dla zwykłych użytkowników – włączenie się blokady dyferencjału może skutkować uślizgiem koła, co może prowadzić do niebezpiecznych sytuacji.

Aktywny dyferencjał

Względnie nową technologią jest elektronicznie sterowany aktywny mechanizm różnicowy. Serce mechanizmu stanowi tradycyjny dyferencjał, jednak, aby uniknąć sytuacji, w której jedno z kół znajdujące się na śliskiej nawierzchni i w rezultacie traci przyczepność, konstruktorzy postanowili zastosować dwa sprzęgła wielotarczowe –  po jednym dla każdej półosi. Sterowane są one hydraulicznie poprzez pompę oleju, która z kolei załączana jest silnikiem elektrycznym. O jego uruchomieniu decyduję komputer sterujący, który na podstawie pomiarów, otrzymywanych dla każdego z kół decyduje, jak dopasować moment obrotowy dla zapewnienia optymalnych warunków jazdy.

Dyferencjał automatyczny Krasikova (DAK

Ciekawym rozwiązaniem jest automatyczny dyferencjał rosyjskiego inżyniera i wynalazcy Walerija Nikołajewicza Krasikova. Opatentowany został on w 2002 roku i zaraz po tym wdrożony do produkcji. Był on montowany głownie w rosyjskich samochodach terenowych tj. Lada Niva, UAZ.

W dyferencjale tym zastosowano przekładnie planetarną, w której satelity zastąpiono stalowymi kulkami poruszającymi się w odpowiednio ukształtowanych kanalikach. Koła odbiorcze półosi zostały zastąpione dwoma cylindrycznymi ślimacznicami o przeciwbieżnym kierunku linii śrubowej. W trakcie jazdy na wprost, kulki pozostają w kanałach nieruchome. Przy skręcie, (kiedy występuje różnica dróg pokonywanych przez koła) kulki przetaczają się w kanałach w lewo lub prawo – zależnie od kierunku skrętu. W przypadku zmniejszenia przyczepności jednego z kół- kulki pozostają nieruchome a prędkości obrotowe kół są takie same. Dzięki temu pojazd ma zapewnioną trakcję nawet w tak krańcowym przypadku, kiedy jedno koło traci kontakt z podłożem.

Blokada dyferencjału

W niektórych przypadkach (np. podczas tzw. driftu, ale także w maszynach rolniczych oraz wszędzie tam, gdzie wymagane jest wyrównanie prędkości obrotowej kół) pożądane jest całkowite zablokowanie mechanizmu różnicowego. Dyferencjał może być blokowany elektronicznie, mechanicznie, bądź hydraulicznie, jednak bez względu na sposób blokowania, głównym celem jest zapobiegnięcie przenoszenia większej ilości momentu obrotowego na koło ulegające poślizgowi i tym samym poprawa trakcji. W zależności od producenta blokady mogą różnić się od siebie jednak zasada działania jest ta sama: zatrzymanie ruchu obrotowego satelitów poprzez połączenie koła talerzowego, które obraca się wraz z obudową mechanizmu różnicowego, z kołami koronowymi półosi napędowych. W rezultacie przekłada się na jednakową prędkość kół, niezależnie od przyczepności.

Zalety oraz zastosowanie

Dyferencjał odgrywa bardzo ważną rolę w naszym życiu. Korzystamy z niego każdego dnia w samochodach, a często nawet nie jesteśmy świadomi jego istnienia. To właśnie dzięki niemu jesteśmy w stanie pokonywać zakręty oraz jeździć w trudnych warunkach, nawet, jeśli jedno z kół straci przyczepność. Co ciekawe, mechanizm różnicowy pomaga nam również oszczędzać. Jak? Poprzez odpowiednią dystrybucję napędu ogranicza naprężenia pojawiające się w układzie napędowym, a dzięki temu zapobiega nadmiernemu zużyciu elementów układu napędowego oraz opon, a także ogranicza zużycie paliwa. Całkiem nieźle, prawda?

Odpowiednio zmodyfikowane dyferencjały znajdują zastosowanie w sportach motorowych – rajdach, wyścigach off – road, ale także w napędzie maszyn rolniczych.

Warto wspomnieć, że mechanizmy różnicowe znalazły swoje zastosowanie nie tylko w motoryzacji, ale też w zegarmistrzostwie, starożytnych kompasach, młynach a nawet komputerach analogowych (!), które wykorzystywały przekładnie różnicowe do wykonywania operacji dodawania i odejmowania.

Podsumowanie – co to są mechanizmy różnicowe? – budowa i zastosowanie

W tym artykule poznaliśmy historię oraz niektóre rodzaje mechanizmów różnicowych. Zagłębiliśmy się nieco w ich budowę, poznaliśmy też zasadę działania oraz główne wady i zalety tych ciekawych mechanizmów. Mamy nadzieję, że dzięki temu artykułowi udało się nam dostarczyć kilku ciekawych informacji, dzięki którym uświadomiliście sobie, jak działa oraz jak ważną rolę w motoryzacji odgrywa mechanizm różnicowy

• O mnie
• Ostatnie posty

Wynalazca TV

To marka, która została stworzona, by pomagać wynalazcom, przedsiębiorcom oraz startupom komercjalizować nowatorskie pomysły. Wykorzystujemy swoją wiedzę i doświadczenie łącząc prawo własności przemysłowej z biznesem. Dzięki temu przeprowadzamy naszych klientów przez wszystkie etapy od pomysłu po wdrożenie. Dzielimy się również swoją wiedzą i doświadczeniem prowadząc wykłady, tworząc ebooki i kursy.

Ostatnie posty Wynalazca TV (wszystkie)

• Poradnik dla wynalazców: Jak sprawdzić swój pomysł na produkt – analiza prawna - 8 października 2024
• Jak sprawdzić swój pomysł na produkt? – analiza finansowa – Poradnik dla wynalazców - 10 września 2024
• Wzory przemysłowe część 2 – ochrona produktów - 27 czerwca 2023