Jeśli czytasz niniejszy materiał, zapewne zastanawiasz się nad budową, zasadą działania i celem stosowania mechanizmów różnicowych o ograniczonym poślizgu. Po co montuje się je w autach już wyjaśniałem w części pierwszej pt. LSD w pojazdach cz.1. Serdecznie zatem zapraszam do jej przeczytania. Znajdziesz tam podstawowe informacje na temat LSD i odpowiedź na zasadnicze pytanie – po co w ogóle ktoś wpadł na pomysł ich budowy. Dla przypomnienia jednak pozwolę sobie powiedzieć, iż istnieje kilka różnych typów LSD. Wszystkie opisywane typy należą do grupy LSD – limited slip differential – z ang. dyferencjał o ograniczonym poślizgu. Poniższe wyjaśnienie zasad ich działania starałem się przełożyć z języka czysto technicznego na język zrozumiały, w miarę możliwości oczywiście, dla każdego zjadacza chleba. Zakładam również, że każdy, choćby w niewielkim stopniu, zna podstawy fizyki i jest w stanie sobie pewne rzeczy wyobrazić. Zatem bez zbędnych ceregieli zaczynajmy:

Sperrdifferenzial – mechanical LSD – dyferencjał typu płytkowo – sprzęgłowego.

dyferencjał sprzęgłowo płytkowy
Przekrój schematyczny dyferencjału płytkowo sprzęgłowego.

Głównym elementem tego typu mechanizmów różnicowych są dwa zestawy sprzęgieł. Dzielą się one na dwa rodzaje – outer plates (płytki przymocowane do obudowy dyferencjału) oraz friction plates (płytki przymocowane do półosi). Są one dociskane do siebie za pomocą sprężyny wstępnej (pre-load spring), która rozpychając koła koronowe (side gears) wywołuje wstępne spięcie płytek.

dyferencjał typu szpera przekrój
Schemat dyferencjału płytkowo sprzęgłowego – rzut boczny.

Podczas jazdy na wprost, prędkość wszystkich płytek (tych przymocowanych do obudowy oraz tych do półosi) jest taka sama, jednakże gdy jedna z półosi zaczyna kręcić się szybciej, a więc występuje róznica prędkości obrotowej obudowy dyferencjału względem półosi, płytki zaczynają trzeć o siebie i wytwarzać opór – jest to tak zwany opór wstępny dyferencjału (Pre-Load). Ponadto do obudowy przymocowane są koła zwane satelitami (spider gear), które jednak nie są przytwierdzone na sztywno. Są one osadzone w obudowie, w otworach posiadających specjalny kształt, sama zaś obudowa składa się z dwóch części. Gdy dodajemy gazu, wałki satelit rozpychają obudowę, która z kolei ponownie (mocniej niż sprężyna wstępna) dociska zestawy sprzęgieł.

dyferencjał płytkowy różnica między 1 way a 2 way
Dyferencjał płytkowo sprzęgłowy – widok obudowy z różnymi typami otworów.

Istnieją trzy typy otworów, które determinują typ dyferencjału – 1 way, 1.5 way i 2 way.
1 way charakteryzuje się kształtem trójkątnym otworów, tworzonym przez obie części obudowy. Oznacza to, że obudowa jest rozpychana tylko w jednym kierunku (przyspieszanie), zaś podczas hamowania pozostaje w domyślnym położeniu. Pomaga to w działaniu układu ABS i pozwala na swobodną różnicę prędkości obrotowej kół podczas hamowania w zakręcie.
Na drugim biegunie jest rozwiązanie 2 way, które posiada symetryczne wycięcie tworzące romb. Powoduje to, że siła rozpychania obudowy poprzez wałki satelit jest taka sama w obie strony, a więc spięcie przy hamowaniu jest takie samo jak przy przyspieszaniu. Stabilizuje to mocne hamowanie na wprost, jednak może powodować blokowanie kół podczas hamowania w zakręcie.
Rozwiązanie typu 1.5 way to po prostu zróżnicowany, niesymetryczny kształt (kąt nachylenia trójkąta prawego jest inny niż trójkąta lewego) otworów, w których umieszczone są wałki satelit, co oznacza mocne spięcie przy przyspieszaniu, lecz słabsze podczas hamowania.

1 way 1.5 way 2 way - różnice

Powyżej widać wszystkie trzy typy obok siebie. Throttle on oznacza gaz w podłogę. Throttle off z kolei ujęcie gazu/hamowanie. Jak można dostrzec na obrazku, 1 way posiada kształt trójkątny, 1.5 way niesymetryczny romb, zaś 2 way romb symetryczny. Element okrągły, ścięty u dołu to nic innego jak wałek jednego z satelit zamocowany w obudowie. Podczas dodawania gazu koło słoneczne stara się kręcić satelitami, a przez kształt obudowy jest ona rozpychana do zewnątrz (wałki satelit wytwarzają naturalny opór związany z oporem kół koronowych przymocowanych do półosi i dalej do kół), tym samym dociska ona zestaw sprzęgieł płytkowych do siebie. Sprzęgła wytwarzają opór i przekazują moment obrotowy z koła o mniejszej przyczepności, poprzez obudowę, do koła o większej przyczepności. Rozwiązanie to jest czysto mechaniczne, bardzo chętnie z resztą stosuje się je w motosporcie. Wadą jest zużycie płytek ciernych, które należy wymieniać co w trudnych warunkach pracy (jazda torowa, wyczynowa) może występować dosyć często.

Dyferencjał typu Torsen i Helical

Torsen – jest to dyferencjał działający w oparciu o tzw. koła zębate spiralne/ślimakowe. Jest to dosyć prosty układ, ze względu na ilość elementów niezbędnych do jego budowy, jednakże trudny w zobrazowaniu zasady działania bez pokazania na przykładzie. Poniżej postaram się wytłumaczyć łopatologicznie, zatem:
Wałek atakujący napędza koło koronowe, które obraca się wraz z obudową tak jak w przypadku dyferencjału płytkowego. Jednakże w odróżnieniu od niego, w obudowie zamocowany jest zestaw 6 satelit (niebieskie – ślimacznice) po 3 na każde koło koronowe (pomarańczowe – ślimaki), które z kolei osadzone są na półosiach tak jak ma to miejsce w klasycznym mechanizmie otwartym. Podczas jazdy na wprost obudowa kręcąc się wprawia w ruch ślimacznice które względem siebie nie poruszają się. Jednocześnie kształt ślimacznic sprawia, że poruszają one ślimakami, wprawiając obie półosie a tym samym oba koła w ruch, tworząc tym samym sztywne połączenie obu osi.

dyferencjał typu torsen
Mechanizm różnicowy typu Torsen – niebieskie satelity nazywane są ślimacznicami, pomarańczowe koła koronowe zaś, ślimakami.

Jednakże kształt ślimacznic względem ślimaków (satelit względem kół koronowych – niebieskich względem pomarańczowych) jest dobrany w taki sposób, że w przypadku wystąpienia różnicy prędkości obrotowej jednej z półosi względem drugiej, moment obrotowy przekazany być może jedynie w kierunku od ślimaka do ślimacznicy. Przykładowo: jadąc w zakręcie w lewo, prawa półoś zaczyna kręcić się szybciej niż lewa, tym samym wprawiając niebieski zestaw 3 ślimacznic prawych w ruch. Tym samym prawe ślimacznice przekazują moment obrotowy na lewe ślimacznice. Lewe ślimacznice z kolei nie mogą kręcić się w okół własnej osi ze względu na kształt zębów lewego ślimaka. W efekcie poruszają się pełzając niejako po lewym ślimaku, napędzając całą obudowę, a tym samym umożliwiając szybszy ruch prawego ślimaka, a więc też i prawego koła względem lewego.

torsen przekrój

Pozwala to na przekazanie momentu obrotowego na koło prawe, lepiej dociążone, a więc posiadające więcej trakcji, poprzez niejako odepchnięcie się od koła lewego. Mówiąc łopatologicznie, koło kręcące się szybciej odpycha się niejako od koła kręcącego się wolniej. Jest to bardzo dobre rozwiązanie gdy mamy do czynienia z przyczepną nawierzchnią. Jednakże problem pojawia się, gdy jedno z kół (np. wewnętrzne) całkowicie traci trakcję w wyniku ekstremalnego odciążenia wewnętrznego koła względem zewnętrznego, mocno dociążonego.

dyferencjał lsd - zachowanie w praktyce mini cooper S

Rozwiązanie typu helical działa w bardzo podobny sposób, jednakże ułożenie ślimacznic (satelit) jest równoległe w stosunku do ślimaków (kół koronowych), podczas gdy klasyczny Torsen posiada układ ślimacznic ułożonych prostopadle do ślimaków. Zasada działania jest identyczna.

schemat dyferencjału helikalnego
Dyferencjał helikalny.

Dyferencjały typu Torsen oraz Helikalne posiadają tzw. stosunek transferu momentu obrotowego, który oznaczany jest stosunkiem w postaci 3:1, 4:1 etc. Załóżmy, że dyferencjał posiada stosunek 4:1 i opiszmy sytuację na przykładzie:
Na oś trafia 200Nm momentu obrotowego. Podczas jazdy na wprost przekazywane jest 100Nm na lewe oraz 100Nm na prawe koło. W momencie, gdy mocno wjedziemy w lewy zakręt, prawe koło zostaje mocno dociążone, lewe zaś odciążone. Dla uproszczenia powiedzmy, że lewe koło może przenieść jedynie 20Nm bez wystąpienia uślizgu, dlatego też przy otwartym mechanizmie różnicowym zarówno prawe jak i lewe koło dostaną po 40Nm momentu obrotowego. Reszta, czyli 160Nm zostanie „wyrzucona” w powietrze w postaci uślizgu lewego koła. W przypadku, gdy zamontowany mamy dyferencjał helikalny lub Torsen, na prawe koło może zostać przekazane nawet 4x więcej momentu obrotowego, niż na koło lewe, tym samym 4x20Nm = 80Nm. Sumarycznie, możemy przekazać 20Nm + 80Nm = 100Nm na całą oś, a więc tracimy jedynie 100Nm zamiast 160Nm.

Ponadto do całego zestawu firma Quaife dodała tzw. „friction plate” – płytkę oporową. Podczas gdy jedna z półosi zaczyna kręcić się z większą prędkością (występuje poślizg jednego z kół), zestaw ślimacznic tejże półosi niejako „chce” kręcić się w drugą stronę, wywierając opór na półoś, różnica prędkości zaś oddziałuje na płytkę oporową. Ta z kolei zaczyna „przyhamowywać” sztucznie rzecz jasna, koło o mniejszym oporze, co sprawia, że moment obrotowy przekazywany jest na drugie, bardziej obciążone koło, proporcjonalnie tak, jakby koło o mniejszym oporze posiadało większy opór niż posiada ono w rzeczywistości (jest on jednak generowany sztucznie za pomocą płytki oporowej). Moment obrotowy z koła o mniejszej trakcji jest przekazywany na koło o większej trakcji za pomocą odpowiedniego kształtu ślimacznic względem ślimaków tak jak w Torsenie, dzięki czemu koło o lepszej trakcji dostaje jeszcze więcej momentu obrotowego w stosunku do klasycznego rozwiązania helikalnego lub Torsena.

W obu przypadkach (Torsen oraz Helical) wada jest jasna i bardzo bolesna. Moment obrotowy przekazywany na koło o większej trakcji jest proporcjonalny do momentu przekazywanego na koło o mniejszej trakcji. Oznacza to, że jeżeli stosunek przekazywanego momentu obrotowego wynosi 4:1 (kształt zębów ślimacznic względem ślimaków – satelit względem kół koronowych), to moment obrotowy przekazany do koła o większej trakcji wynosić będzie 4 krotnie więcej momentu obrotowego niż na koło o mniejsze trakcji. Niestety, gdy jedna z półosi całkowicie utraci trakcję, a więc moment obrotowy, który może być na nią przekazany wynosi 0 (w praktyce bliski 0), to moment obrotowy przekazywany na koło o lepszej trakcji wyniesie 4×0=0 (w praktyce 4×0,01=0,04). Zatem działanie tego typu mechanizmu stanie się bardzo zbliżone do zasady działania mechanizmu różnicowego otwartego (4x b. mała liczba = wciąż b. mała liczba 😉 ). Ratunkiem wydaje się być wyżej wspomniana płytka oporowa, którą stosuje firma Quaife w swoim rozwiązaniu helikalnego dyferencjału, która wytwarzając sztuczny opór (dajmy na to 5Nm) pozwala na przekazanie 4x5Nm=20Nm na koło o lepszej trakcji bez względu na trakcję drugiego, jednakże nie rozwiązuje ona całego problemu i po oderwaniu jednego z kół od nawierzchni, drugie wciąż otrzymać może jedynie znikomą ilość momentu obrotowego (20Nm to jedynie 10% z dostępnych 200Nm).

dyferencjał helikalny
Dyferencjał typu helikalnego produkcji Quaife. Widoczna czarna płytka oporowa pomiędzy kołami koronowymi.

Dyferencjał wiskotyczny – tzw. wiskoza

Sprzęgło wiskotyczne – tutaj czynnikiem przekazującym moment obrotowy jest olej przekładniowy o wysokiej lepkości.  

wiskoza - dyferencjał wiskotyczny
Dyferencjał wiskotyczny – przekrój.

Zasada działania bardzo podobna jak w przypadku mechanizmu sprzęgłowo płytkowego (szpery), jednakże z tą różnicą, iż za przekazanie momentu obrotowego odpowiada olej przekładniowy. Zatem wałek atakujący (pinion) wychodzący z silnika napędza obudowę dyferencjału za pomocą koła słonecznego. W obudowie, tak jak w otwartym mechanizmie różnicowym, zamocowane są satelity, które z kolei napędzają koła koronowe, które dalej połączone są z półosiami oraz kołami. Podczas jazdy na wprost wszystko kręci się tak jak w przypadku otwartego dyferencjału.

schemat budowy wiskozy

Dodatkowo tak jak w mechanizmie płytkowo sprzęgłowym na każdej z półosi zamocowany jest zestaw płytek zazębiony naprzemiennie z płytkami przymocowanymi do obudowy dyferencjału. Różnice są dwie – po pierwsze płytek w wiskozie jest o wiele więcej niż w dyferencjale płytkowo sprzęgłowym i nigdy nie mają one bezpośredniej styczności ze sobą. Ponadto pomiędzy płytkami umieszczony jest olej o wysokiej lepkości. Gdy następuje poślizg jednego z kół, płytki przymocowane do półosi zaczynają kręcić się szybciej niż płytki w obudowie dyferencjału. Poprzez olej o wysokiej lepkości przekazywany jest moment obrotowy do obudowy i dalej do drugiej półosi. Podczas pracy, olej w sprzęgle wiskotycznym ulega nagrzaniu i dodatkowo zmienia swoją lepkość w taki sposób, że przekazuje co raz to więcej momentu obrotowego z półosi na obudowę. Zatem zaletą tego rozwiązania jest fakt, iż działa ono tym lepiej im większa wystąpi różnica prędkości obrotowej półosi. Wady niestety są dwie – pierwsza jest taka, że przy małych różnicach prędkości obrotowych dyferencjał wiskotyczny zachowuje się w sposób zbliżony do mechanizmu różnicowego otwartego. Zatem przekazuje on znikome ilości momentu obrotowego na koło o większych oporach (lepszej trakcji). Druga zaś jest taka, że podczas ciężkiego traktowania (jazda wyczynowa, torowa, upalanie) olej może ulec przegrzaniu, co z kolei drastycznie zmniejsza jego lepkość a co za tym idzie ilość momentu obrotowego jaki może przekazać na koło o lepszej trakcji.

Podsumowanie – wady i zalety poszczególnych rozwiazań.

dyferencjał mechaniczny płytkowo sprzęgłowy
Dyferencjał mechaniczny płytkowo sprzęgłowy – widoczna sprężyna wstępnego obciążenia (pre-load spring).

Dyferencjał mechaniczny płytkowo sprzęgłowy posiada wstępne obciążenie, co pozwala na przekazywanie momentu obrotowego na koło o większej trakcji jeszcze zanim wystąpi różnica prędkości. Ponadto poprzez zróżnicowany kształt otworu w obudowie można płynnie zmieniać charakterystykę jego pracy pod obciążeniem silnika oraz podczas hamowania, a tym samym dostosować do wymaganego zastosowania (auto drogowe, wyczynowe etc.). Największą zaletą jest jednak możliwość przekazywania momentu obrotowego nawet w przypadku, gdy jedno z kół “wisi” w powietrzu. Niestety jest to dosyć kosztowne rozwiązanie, wymagające regularnych wymian oleju oraz ostatecznie wymiany samych płytek ciernych, stąd raczej spotykany w autach typowo wyścigowych i torowych, oraz drogowych ale z założenia usportowionych.

dyferencjał typu helikalnego
Mechanizm różnicowy typu helikalnego.

Dyferencjał typu helikalnego oraz Torsen przekazują moment obrotowy do koła wolniej obracającego się natychmiastowo w momencie wystąpienia różnicy prędkości. Nie są zatem “przygotowane” na taką ewentualność tak jak dyferencjały płytkowe, lecz wciąż zostawiają daleko w tyle dyferencjał wiskotyczny. Ponadto są to typowo mechaniczne urządzenia, zatem ich skomplikowanie, budowa i obsługa serwisowa jest taka sama jak otwartych mechanizmów różnicowych. Jak każde rozwiązanie i to ma swoje wady – gdy jedno z kół oderwie się od nawierzchni, lub ma bardzo małą przyczepność, dyferencjał helikalny oraz Torsen zachowują się praktycznie tak samo jak dyferencjał otwarty. Sytuację ratuje odrobinę produkt Quaife ze swoją płytką cierną, jednakże jak to mówią – jedna jaskółka wiosny nie czyni.

dyferencjał wiskotyczny
Wiskoza – widoczny zestaw płytek, błyszczą się od tłustych pozostałości oleju.

Wiskoza z kolei pozwala na największą różnicę obrotową poszczególnych półosi, tym samym dbając o niskie zużycie podzespołów, w szczególności opon. Ponadto pozwala na płynne przekazywanie momentu obrotowego na koło o większej trakcji, a więc obracające się wolniej, bez względu na różnicę w prędkości obrotowej kół. Jednakże dyferencjał typu wiskotycznego nie pozwala na pełne spięcie obu osi. Ponadto, czas reakcji tego typu rozwiązania jest długi, gdyż wymagana jest różnica prędkości obrotowej półosi, która następnie musi podgrzać olej znajdujący się w obudowie. W dodatku przy mocnym obciążeniu (jazda wyczynowa, tor, upalanie) olej może ulec przegrzaniu, co bardzo ograniczy jego skuteczność (gwałtownie spadnie lepkość oleju, a więc straci on swoje właściwości przekazywania momentu obrotowego pomiędzy płytkami).

zestawienie szybkości reakcji dyferencjałów
Schematyczne zestawienie wykresów szybkości reakcji poszczególnych typów mechanizmów różnicowych na różnicę w prędkości obrotowej kół. Jak widać dyferencjał płytkowo sprzęgłowy posiada wstępne obciążenie jeszcze przed wystąpieniem poślizgu. Wiskoza z kolei potrzebuje czasu aby nabrać sprawności. Torsen zachowuje się najbardziej liniowo ze wszystkich trzech typów (podobnie jak helical).

Zdaję sobie doskonale sprawę, iż opis powyższych rozwiązań może być trudny w odbiorze i zrozumieniu bez odpowiedniej wizualizacji. Poniżej zatem umieszczam link do bardzo dobrego wytłumaczenia tematu – cała playlista.

Niestety dla tych z Was, którzy nie znają biegle języka angielskiego pozostają jedynie wizualizacje, obrazujące działanie poszczególnych typów LSD.
Dyferencjał płytkowy:

Dyferencjał typu Torsen:

Pomimo, iż lektor w obu wizualizacjach również mówi w jęz. angielskim, mogą one pomóc w zobrazowaniu sobie zasady działania obu typów dyferencjałów. Niestety nie znalazłem nigdzie wizualizacji dot. dyferencjału typu helical oraz wiskozy, jednakże helical jest rozwiązaniem bliźniaczym do Torsen’a, zaś wiskoza bardzo podobna do rozwiązania płytkowo – sprzęgłowego. Jestem ponadto świadom, iż choćbym stanął na głowie, żaden opis, nawet okraszony dużą ilością obrazków i schematów nigdy nie zastąpi możliwości dotknięcia danego rozwiązania w rzeczywistości. Gdy można coś rozebrać, pokręcić i na własne oczy ujrzeć co czym porusza i w którą stronę, wtedy wszystko staje się jasne. Mimo to, żywię szczerą nadzieję, iż po przeczytaniu niniejszego elaboratu bliżej jest Tobie do zrozumienia budowy oraz zasad działania powyższych mechanizmów. Pragnę jednocześnie zapewnić, że na tym nie koniec i postaramy się dla Was przygotować (może tym razem w wersji video?) przykłady działania i różnice między poszczególnymi typami mechanizmów różnicowych. Tymczasem zapraszam do komentowania i zadawania pytań drogą mailową. Na wszystkie pytania i niejasności postaram się wyczerpująco udzielić odpowiedzi. Do zobaczenia niebawem i pamiętajcie o jednym:
Bez względu na to ile dyferencjałów masz w swoim wozie – życie jest zbyt krótkie, żeby jeździć autem bez charakteru 🙂

Źródła:
kmpdrivetrain
cuscosainc
speed.academy
autokult
shopify
demon-tweeks
circlesix
googleusercontent
wikimedia
fc3spro
neternal

5 1 vote
Article Rating
Subscribe
Powiadom o
guest
3 komentarzy
najstarszy
najnowszy oceniany
Inline Feedbacks
View all comments
Fabian
Fabian
13 dni temu

Jednym słowem, i tak nie mamy wpływu na wybór dyfra w swoim samochodzie. Musimy się pogodzić z tym co oferuje dany samochód. Po za tym kto kieruje się dyferencjałem jako głównym czynnikiem wpływającym na zakup samochodu? Ja gdy bym miał wybór to bym wybrał “wiskoze”. Pozdrawiam.

Fabian
Fabian
13 dni temu
Reply to  Mateusz Kania

I owszem. Jeżeli mówimy o osobach które siedzą w temacie z portfelem wypchanym po brzegi i urwanie każdej setnej sekundy ma znaczenie jest priorytetem, to wybierze to co najlepsze a ekran multimedialny potraktuje jako dodatek. Lecz tak jak zauważyłeś, większość z nas nie ma pojęcia co tak naprawdę ma znaczenie w samochodzie. Lubię motoryzację, nawet kocham lecz czy to wystarcz by mieć wpływ na to co chcę, a co mogę? Godze się z tym i kocham to co mam. Dziękuję za odp. pozdrawiam i czekam na kolejne artykuły 😉