Szpera- blokada mechanizmu różnicowego

 W każdym samochodzie mamy zainstalowany silnik. To jest oczywiste, gdyż on to właśnie odpowiedzialny jest za osiągi naszego pojazdu. Moment obrotowy i moc to dwie wartości określające parametry jego pracy. Podczas jazdy przekazywane są one poprzez skrzynię biegów na koła. Zanim jednak siła napędowa dotrze do kół i zostanie przeniesiona na asfalt, przechodzi przez element, bez którego nie byłoby możliwe poruszanie się naszym samochodem. Jest to właśnie mechanizm różnicowy zwany również dyferencjałem. Jaka jest jego zasada i kiedy jest ona przydatna?


      Podczas jazdy na wprost wszystkie koła przebywają tę samą drogę, czyli mają tę samą prędkość obrotową. Jednak, gdy dokonamy skrętu, koła zaczynają się toczyć z różnymi prędkościami obrotowymi. Podczas jazdy po łuku, koło wewnętrzne kręci się wolniej od koła zewnętrznego a w samochodach z napędem na obie osie prędkość kół przednich jest większa niż tylnych. Aby zapobiec wszelkim naprężeniom, jakie powstałyby w czasie takiej sytuacji przy stałym rozdziale napędu na sztywną oś, używany jest właśnie mechanizm różnicowy. Pozwala on na dostosowanie się prędkości kół napędzanych do różnych wartości, poprzez płynny rozdział napędu z jednego koła na drugie. Sama budowa tego mechanizmu jest dość skomplikowana i występuje kilka rozwiązań technicznych, jednak zasada działania jest prosta i w każdym przypadku taka sama.

      Podczas jazdy na wprost każde koło napędzane dostaje około 50% wartości napędu oscylującego na daną oś. Celowo użyte zostało określenie około, gdyż oba koła mają różnicę w oporach ( łożyska w kole i ich stopień zużycia, stopień zużycia ogumienia, itp.) zawierającą się w przedziale dziesiątych części procenta. Można, więc użyć określenia, że jest wartość zbliżona do 50%. Gdy jednak dokonamy skrętu i nasz pojazd znajdzie się w sytuacji jazdy po łuku, koła zewnętrzne otrzymują znacznie mniej napędu niż koła wewnętrzne, na które to zostaje przeniesiona prawie cała jego wartość. Gdy poruszamy się po nawierzchni o przyczepności identycznej dla obu kół sytuacja jest pod kontrolą, jednak, gdy okaże się, że koło wewnętrzne napotka nawierzchnię o mniejszej przyczepności, koło zaczyna się ślizgać, co w końcowym rozrachunku może doprowadzić do zwalniania (nie przyspieszamy w takim momencie) lub nawet utraty stabilizacji toru jazdy.

      Sytuacja ta ma miejsce również podczas ostrego przyspieszania samochodem z napędem na jedną oś, który wyposażony jest w silnik o wysokiej wartości mocy i momentu. Podczas gwałtownego ruszenia jedno z kół napędzanych traci przyczepność i buksuje do momentu zrównoważenia się siły lub naszej celowej reakcji w postaci przymknięcia przepustnicy. W przypadku wykorzystywania samochodu do sportu nie może ona mieć miejsca gdyż tracimy w ten sposób cenną moc i sekundy.

      Aby zapobiec wyżej wymienionym przypadkom stosuje się szperę, czyli mechanizm różnicowy o zwiększonym tarciu wewnętrznym. Blokada mechanizmu różnicowego pozwala na wcześniejsze ustalenie wartości procentowej napędu rozdzielanego pomiędzy koła. Krótko mówiąc szpera 40% oznacza, że 40% napędu idzie na koło o dobrej przyczepności a 60% na koło będące w poślizgu. Pozwala to na stałe przenoszenie, choć częściowej siły napędzającej na jedno z kół. W tym przypadku, bez względu na to czy koło, na które przekazywana jest większa siła zaczęło się ślizgać, nasz samochód stale będzie przyspieszać.

      Zastosowanie szpery w większości przypadków zaowocuje poprawionym zachowaniem się samochodu na drodze podczas jazdy i większą przewidywalnością jego reakcji w czasie poślizgów. Oczywistym jest również poprawione przyspieszanie, zwłaszcza ze startu zatrzymanego lub na śliskich nawierzchniach. Za wadę lub pewien dyskomfort uznać należy natomiast większą siłę, jaką musimy użyć do skrętu kierownicą.

      Ogólnie dostępne na rynku szpery, możemy podzielić na dwie grupy:
- mechanizmy o ograniczonym poślizgu
- dyferencjały o konstrukcji helikalnej

      Mechanizmy o ograniczonym poślizgu nazywane są LSD - Limited Slip Diferencjal. W ich przypadku blokowanie dyferencjału odbywa się za pomocą trących o siebie metalowych płytek lub wiskozowych tarcz obracających się w lepkiej cieczy - dyferencjał lepkościowy. Są to dość mało skomplikowane w budowie konstrukcje, które mają ogromną zaletę - można ingerować w ich procentowy stopień blokowania napędu. Dokonuje się tego poprzez dołożenie trących o siebie płytek, podłożenie podkładek bądź regulacje śrubą. W ten prosty sposób możemy dostosować szperę do naszych indywidualnych potrzeb lub nawierzchni, po której porusza się samochód. W przypadku szpery lepkościowej regulacja jest bardziej banalna. Po prostu zwiększa się lub zmniejsza ciśnienie płynu znajdującego się w mechanizmie. Dzięki temu może ona być sterowana elektronicznie, co pozwala na płynną zmianę wartości blokady.

      Mechanizm o ograniczonym uślizgu wewnętrznym reaguje na różnicę w prędkości obrotowej kół, co jest w pewnym sensie wadą. W praktyce wygląda to tak, że szpera zacznie zadziałać dopiero w momencie wystąpienia poślizgu jednego z kół, co objawia się lekkim opóźnieniem jej zadziałania. Również gwałtowne hamowanie może spowodować aktywację szpery. W momencie, gdy jedno z kół ulegnie zablokowaniu, szpera wykryje różnicę w prędkości obrotowej, i będzie starała się zablokować drugie koło. Może to doprowadzić do nieprzyjemnych sytuacji na drodze.

      Drugą rodziną mechanizmów o zwiększonym tarciu wewnętrznym są szpery o konstrukcji helikalnej. W rozwiązaniu tym sięgnięto po jednokierunkową przekładnię z zębami w kształcie śruby, zwaną helikalną, stąd też wzięła się nazwa tej grupy dyferencjałów. Najbardziej cenionymi i znanymi są systemy: TorSen oraz ATB, który znajduje zastosowanie w produktach firmy Quaife. Tak jak we wcześniej omawianych rozwiązaniach, również i te rozwiązania mają swoje zalety i wady. Po pierwsze, ze względu na większy stopień skomplikowania budowy są one zdecydowanie droższe od mechanizmów ograniczających uślizg. Po drugie nie mają one możliwości regulacji siły blokowania i aby zmienić ten parametr, należy wymienić cały mechanizm. Jest to zarówno nieekonomiczne jak i kłopotliwe. Mają jednak zaletę, która potrafi odsunąć wady w cień. Szpery o ograniczonym poślizgu charakteryzowały się tym, że blokowały ślizgające się koło, natomiast rozwiązanie helikalne przekazuje nadwyżkę momentu obrotowego z koła, które utraciło przyczepność na koło będące w stałym kontakcie z podłożem.

      Odrębną grupą urządzeń starających się kontrolować rozdział napędu na poszczególne koła, są systemy elektroniczne sztucznie symulujące działanie blokady mechanizmu różnicowego. Zawansowana elektronika, na podstawie sygnałów płynących z czujników umieszczonych przy kołach, śledzi ich prędkość obrotową, i w przypadku wystąpienia uślizgu ingeruje używając do tego układu hamulcowego. System ten spotykany jest coraz częściej w seryjnych samochodach najnowszych generacji.