PRZEŁOMOWE WYNALAZKI
Mechanizm różnicowy
Jeśli sercem samochodu jest silnik, to czym jest dyferencjał? To element, bez którego jazda byłaby znacznie trudniejsza. W autach cywilnych rozwiązuje problem różnicy prędkości kół na jednej osi, w terenie potrafi wyciągnąć z opresji, a w motosporcie pozwala urywać cenne sekundy na wejściach i wyjściach z zakrętów.
Zdjęcie: Audi
Dla osób, choć odrobinę siedzących w motoryzacji, pojęcia takie jak dyfer, szpera czy przewijające się na forach miłośników napędu na tylną oś określenie „spaw” są dobrze znane i wiadomo, czego dotyczą. Mam jednak wrażenie, że znaczna większość użytkowników samochodów nie ma pojęcia, że coś takiego w ogóle znajduje się w ich aucie, a przecież to element układu napędowego, bez którego jazda byłaby znacznie utrudniona i bardziej niebezpieczna.
więcej dwa tysiące lat przed wynalezieniem pierwszego samochodu. Pierwszy znany mechanizm różnicowy służył chińskiej armii w wozie, którego zadaniem było wskazywanie kierunku południowego. Figura umieszczona na wozie zawsze wskazywała południe, a przekładnia różnicowa dbała o to, by niezależnie od obranego kierunku jazdy, wskazanie pozostawało niezmienne. Choć nie przenosiła momentu obrotowego, była to pierwsza znana konstrukcja wykorzystująca zasadę różnicowania ruchu obrotowego. Tutaj historia się urywa i powraca dwa tysiące lat później.
W celach napędowych dyferencjał został wykorzystany dopiero w 1827 r. Wtedy do urzędu patentowego w Paryżu ze swoim projektem pierwszego mechanicznego dyferencjału zgłosił się zegarmistrz Onesiphore Pecqueuer. Jego wynalazek wkrótce miał ułatwić skręcanie pojazdom parowym – wcześniej miały one albo napęd na jedno koło, albo sztywny napęd na obie strony. Tak zwany „otwarty dyfer” rozwiązywał kilka problemów: zwiększał bezpieczeństwo, ułatwiał kierowanie, a przy tym zmniejszał naprężenia w elementach układu napędowego, co przekładało się na ich wolniejsze zużycie.
W 1885 r. Karl Benz zaprojektował pierwszy pojazd napędzany silnikiem benzynowym. Aby uniknąć problemu uślizgu kół, zastosował napęd na jedno tylne koło. Trzy lata później dyferencjał oparty na projekcie francuskiego zegarmistrza trafił do trzeciego samochodu w historii marki – Benz Patent-Motorwagen No. 3 był jednocześnie pierwszym pojazdem spalinowym z napędem na całą oś. Wyprodukowano 25 egzemplarzy, a jednym z nich w 1888 r. żona Karla, Bertha Benz, odbyła pierwszą długodystansową podróż samochodem – z Mannheim do Pforzheim (ok. 106 km).
Wraz z rozwojem motoryzacji dyferencjał szybko stał się standardowym elementem pojazdów wszelkiej maści. Już na początku XX w. był powszechnie stosowany w nowych samochodach. W latach 20. auta przestawały być jedynie maszynami do przemieszczania się – zaczynały nabierać charakteru i pojawiały się nowe potrzeby. Wraz z rozwojem samochodów terenowych i wyścigowych kierowcy oraz inżynierowie zaczęli oczekiwać od mechanizmu różnicowego czegoś więcej niż tylko rozwiązania problemu różnicy prędkości kół. Okazało się, że odpowiednia konstrukcja dyferencjału może znacznie poprawić właściwości jezdne samochodu w różnych warunkach.
Na rynek wkroczyły pojazdy z napędem na cztery koła, co wymusiło opracowanie mechanizmów międzyosiowych. Pierwsze takie konstrukcje trafiały do aut specjalistycznych – ciężarówek czy pojazdów wojskowych. W przypadku samochodów osobowych pierwszą marką, która wprowadziła nowe rozwiązania napędowe, był Land Rover. W 1948 r. kierowca modelu Series I miał do dyspozycji rozłączany napęd na cztery koła, jeszcze bez różnicowania momentu obrotowego między osiami. Taka możliwość pojawiła się po raz pierwszy w 1970 r. – Range Rover Classic miał stały napęd na cztery koła z centralnym mechanizmem różnicowym współpracującym z reduktorem. Całość umożliwiała blokadę napędu i eliminowała poślizg jednej osi.
To, co ułatwiało jazdę po ulicach, w motosporcie przynosiło niestabilność przy przyspieszaniu, zwiększone zużycie opon, a przede wszystkim brak trakcji przy wyjściu z zakrętu. W latach 20. eksperymentowano ze sztywną blokadą dyferencjału – przynosiła efekty, ale miała też wiele wad. Samochód ze zblokowanym dyferencjałem miał więcej trakcji przy przyspieszaniu, jednak w szybkich zakrętach prowadził się bardzo nerwowo. Na wolnych winklach generował efekt płużenia przodem – przednie koła chciały skręcić, ale tylne, napędowe pchały samochód do przodu.
Rewolucja przyszła w 1935 r., kiedy niemiecka firma ZF opracowała i opatentowała wynalazek nazwany Sperrdifferential. Nie był to jeszcze klasyczny LSD, jaki znamy dziś z samochodów sportowych. Do tradycyjnego dyferencjału stożkowego dodano płytki reagujące na różnicę prędkości między półosiami – zwiększone tarcie blokowało nadmierny obrót jednej strony względem drugiej. Dyferencjał o ograniczonym poślizgu powstał jednak z myślą o zastosowaniach terenowych, głównie wojskowych. Do aut sportowych trafił dopiero po II wojnie światowej, już w znacznie ulepszonej formie.
Pierwszym seryjnym samochodem sportowym wyposażonym w dyferencjał o ograniczonym poślizgu był Mercedes 300 SL z 1954 r. Zastosowano w nim stożkowy mechanizm różnicowy z około 25-proc. blokadą, co poprawiało trakcję podczas wyjścia z zakrętu. Od połowy lat 50. mechanizmy LSD stały się standardem w sportach motorowych – typowe wartości blokady wynosiły 25-40 proc., choć w niektórych samochodach rajdowych i torowych sięgały nawet 60-70 proc. Oznaczało to, że dyferencjał różnicował moment obrotowy w pewnym zakresie, ale nie pozwalał na pełny poślizg jednego z kół.
W latach 60. większość producentów samochodów sportowych klasy premium oferowała już w wyposażeniu opcję dyferencjału o ograniczonym poślizgu. Lata 70. przyniosły formalizację w świecie sportowych mechanizmów różnicowych – wyróżniono trzy główne typy: jednokierunkowy, półtorakierunkowy (asymetryczny) i dwukierunkowy. Jednokierunkowy działał jedynie przy przyspieszaniu, dwukierunkowy zarówno przy przyspieszaniu, jak i hamowaniu silnikiem, asymetryczny był czymś pośrednim – pracował przy przyspieszaniu, a przy hamowaniu generował mniejszy moment blokujący.
W praktyce dyferencjał dwukierunkowy najlepiej sprawdzał się w rajdach czy drifcie – pozwalał precyzyjniej ustawiać samochód przy ostrych zmianach kierunku bez użycia gazu. Jednokierunkowy i asymetryczny lepiej sprawdzały się na torach asfaltowych, gdzie liczy się płynność i delikatne operowanie masą pojazdu.
W 1982 r. pojawił się kolejny przełom – mechanizm Torsen, wykorzystujący przekładnie ślimakowe zamiast płytek ciernych. Rozwiązanie to zapewniało płynniejszy, mechaniczny rozdział momentu i znalazło szerokie zastosowanie w autach z napędem quattro oraz wielu SUV-ach i samochodach sportowych.
Obecnie dyferencjał, jak prawie każdy element samochodu, został „wzbogacony” o elektronikę, decydującą o tym, kiedy i jak bardzo ten ma się zblokować. Współczesne systemy, takie jak E-Diff Ferrari, Active M Differential BMW czy Torque Vectoring w autach Audi i Subaru, sterują rozdziałem momentu w czasie rzeczywistym, wykorzystując dane z czujników przyspieszenia i prędkości kół. W najbardziej zaawansowanych autach elektrycznych dyferencjały znikają kompletnie, na rzecz silników sterujących momentem w każdym kole oddzielnie.
Choć większość kierowców nigdy nie widziała dyferencjału na oczy, to właśnie on decyduje o tym, jak samochód zachowa się w zakręcie, na śliskiej nawierzchni czy podczas sprintu spod świateł. Z prostego mechanizmu, wymyślonego jeszcze w XIX w., dyferencjał ewoluował w podzespół, który w dużej mierze definiuje charakter prowadzenia auta.
W celach napędowych dyferencjał został wykorzystany dopiero w 1827 r. Wtedy do urzędu patentowego w Paryżu ze swoim projektem pierwszego mechanicznego dyferencjału zgłosił się zegarmistrz Onesiphore Pecqueuer. Jego wynalazek wkrótce miał ułatwić skręcanie pojazdom parowym – wcześniej miały one albo napęd na jedno koło, albo sztywny napęd na obie strony. Tak zwany „otwarty dyfer” rozwiązywał kilka problemów: zwiększał bezpieczeństwo, ułatwiał kierowanie, a przy tym zmniejszał naprężenia w elementach układu napędowego, co przekładało się na ich wolniejsze zużycie.
W 1885 r. Karl Benz zaprojektował pierwszy pojazd napędzany silnikiem benzynowym. Aby uniknąć problemu uślizgu kół, zastosował napęd na jedno tylne koło. Trzy lata później dyferencjał oparty na projekcie francuskiego zegarmistrza trafił do trzeciego samochodu w historii marki – Benz Patent-Motorwagen No. 3 był jednocześnie pierwszym pojazdem spalinowym z napędem na całą oś. Wyprodukowano 25 egzemplarzy, a jednym z nich w 1888 r. żona Karla, Bertha Benz, odbyła pierwszą długodystansową podróż samochodem – z Mannheim do Pforzheim (ok. 106 km).
Wraz z rozwojem motoryzacji dyferencjał szybko stał się standardowym elementem pojazdów wszelkiej maści. Już na początku XX w. był powszechnie stosowany w nowych samochodach. W latach 20. auta przestawały być jedynie maszynami do przemieszczania się – zaczynały nabierać charakteru i pojawiały się nowe potrzeby. Wraz z rozwojem samochodów terenowych i wyścigowych kierowcy oraz inżynierowie zaczęli oczekiwać od mechanizmu różnicowego czegoś więcej niż tylko rozwiązania problemu różnicy prędkości kół. Okazało się, że odpowiednia konstrukcja dyferencjału może znacznie poprawić właściwości jezdne samochodu w różnych warunkach.
Na rynek wkroczyły pojazdy z napędem na cztery koła, co wymusiło opracowanie mechanizmów międzyosiowych. Pierwsze takie konstrukcje trafiały do aut specjalistycznych – ciężarówek czy pojazdów wojskowych. W przypadku samochodów osobowych pierwszą marką, która wprowadziła nowe rozwiązania napędowe, był Land Rover. W 1948 r. kierowca modelu Series I miał do dyspozycji rozłączany napęd na cztery koła, jeszcze bez różnicowania momentu obrotowego między osiami. Taka możliwość pojawiła się po raz pierwszy w 1970 r. – Range Rover Classic miał stały napęd na cztery koła z centralnym mechanizmem różnicowym współpracującym z reduktorem. Całość umożliwiała blokadę napędu i eliminowała poślizg jednej osi.
To, co ułatwiało jazdę po ulicach, w motosporcie przynosiło niestabilność przy przyspieszaniu, zwiększone zużycie opon, a przede wszystkim brak trakcji przy wyjściu z zakrętu. W latach 20. eksperymentowano ze sztywną blokadą dyferencjału – przynosiła efekty, ale miała też wiele wad. Samochód ze zblokowanym dyferencjałem miał więcej trakcji przy przyspieszaniu, jednak w szybkich zakrętach prowadził się bardzo nerwowo. Na wolnych winklach generował efekt płużenia przodem – przednie koła chciały skręcić, ale tylne, napędowe pchały samochód do przodu.
Rewolucja przyszła w 1935 r., kiedy niemiecka firma ZF opracowała i opatentowała wynalazek nazwany Sperrdifferential. Nie był to jeszcze klasyczny LSD, jaki znamy dziś z samochodów sportowych. Do tradycyjnego dyferencjału stożkowego dodano płytki reagujące na różnicę prędkości między półosiami – zwiększone tarcie blokowało nadmierny obrót jednej strony względem drugiej. Dyferencjał o ograniczonym poślizgu powstał jednak z myślą o zastosowaniach terenowych, głównie wojskowych. Do aut sportowych trafił dopiero po II wojnie światowej, już w znacznie ulepszonej formie.
Pierwszym seryjnym samochodem sportowym wyposażonym w dyferencjał o ograniczonym poślizgu był Mercedes 300 SL z 1954 r. Zastosowano w nim stożkowy mechanizm różnicowy z około 25-proc. blokadą, co poprawiało trakcję podczas wyjścia z zakrętu. Od połowy lat 50. mechanizmy LSD stały się standardem w sportach motorowych – typowe wartości blokady wynosiły 25-40 proc., choć w niektórych samochodach rajdowych i torowych sięgały nawet 60-70 proc. Oznaczało to, że dyferencjał różnicował moment obrotowy w pewnym zakresie, ale nie pozwalał na pełny poślizg jednego z kół.
W latach 60. większość producentów samochodów sportowych klasy premium oferowała już w wyposażeniu opcję dyferencjału o ograniczonym poślizgu. Lata 70. przyniosły formalizację w świecie sportowych mechanizmów różnicowych – wyróżniono trzy główne typy: jednokierunkowy, półtorakierunkowy (asymetryczny) i dwukierunkowy. Jednokierunkowy działał jedynie przy przyspieszaniu, dwukierunkowy zarówno przy przyspieszaniu, jak i hamowaniu silnikiem, asymetryczny był czymś pośrednim – pracował przy przyspieszaniu, a przy hamowaniu generował mniejszy moment blokujący.
W praktyce dyferencjał dwukierunkowy najlepiej sprawdzał się w rajdach czy drifcie – pozwalał precyzyjniej ustawiać samochód przy ostrych zmianach kierunku bez użycia gazu. Jednokierunkowy i asymetryczny lepiej sprawdzały się na torach asfaltowych, gdzie liczy się płynność i delikatne operowanie masą pojazdu.
W 1982 r. pojawił się kolejny przełom – mechanizm Torsen, wykorzystujący przekładnie ślimakowe zamiast płytek ciernych. Rozwiązanie to zapewniało płynniejszy, mechaniczny rozdział momentu i znalazło szerokie zastosowanie w autach z napędem quattro oraz wielu SUV-ach i samochodach sportowych.
Obecnie dyferencjał, jak prawie każdy element samochodu, został „wzbogacony” o elektronikę, decydującą o tym, kiedy i jak bardzo ten ma się zblokować. Współczesne systemy, takie jak E-Diff Ferrari, Active M Differential BMW czy Torque Vectoring w autach Audi i Subaru, sterują rozdziałem momentu w czasie rzeczywistym, wykorzystując dane z czujników przyspieszenia i prędkości kół. W najbardziej zaawansowanych autach elektrycznych dyferencjały znikają kompletnie, na rzecz silników sterujących momentem w każdym kole oddzielnie.
Choć większość kierowców nigdy nie widziała dyferencjału na oczy, to właśnie on decyduje o tym, jak samochód zachowa się w zakręcie, na śliskiej nawierzchni czy podczas sprintu spod świateł. Z prostego mechanizmu, wymyślonego jeszcze w XIX w., dyferencjał ewoluował w podzespół, który w dużej mierze definiuje charakter prowadzenia auta.