Vše o diferenciálech

V prvním díle miniseriálu o diferenciálech jsme si vysvětlili funkci otevřeného diferenciálu a jeho nevýhody. Řekli jsme si, jak funguje uzávěrka diferenciálu a jak pracuje svorný diferenciál zavíraný vstupním kroutícím momentem. Bohužel jsme i u tohoto typu diferenciáu narazili na slabiny. Jaké jsou další možnosti zavírání diferenciálu se objasníme v dnešním pokračování.

V prvním díle miniseriálu jsem prozradil myšlenku svírání diferenciálu na základě rozdílů otáček pravého a levého kola (popřípadě přední a zadní nápravy u mezinápravového diferenciálu.) To by totiž zajistilo uzavírání diferenciálu teprve v okamžiku, kdy je to skutečně potřeba.

Řešení jsou známá dvě. Jedním z nich je klasický diferenciál, mezi jehož dva členy je vložena viskózní spojka (samostatná spojka je na obrázku 1). Jedná se v podstatě o lamelovou spojku, která je uzavřena a utěsněna a jejíž lamely se pohybují v lázni speciálního silikonového oleje. Tento olej reaguje na vzrůstající teplotu nárůstem objemu a viskozity. Vzrůstající viskozita způsobuje unášení hnaných lamel spojky a rostoucí objem oleje tlačí lamely spojky k sobě, čímž zvyšuje přenášený moment. Tento moment potom brzdí vzájemný pohyb členů diferenciálu a zvyšuje trakční sílu nápravy. Brzdící moment narůstá pozvolna avšak jeho nárůst je progresivní s rozdílem otáček kol. V extrémním případě prudkého nárůstu rychlosti jednoho kola dochází k tak zvaného „hupm efektu“, kdy jsou lamely spojky stlačeny k sobě a spojka se uzavře. Spojku a průběh jejího spínání může výrobce naladit její velikostí, počtem a tvarem lamel a objemem silikonového oleje ve skříni spojky.

Druhé řešení je podobné, jen místo viskózní spojky je do diferenciálu zařazena hydraulicky ovládaná spojka a zároveň je mezi dva členy diferenciálu zastavěno hydraulické čerpadlo. Pokud se výstupní hřídele diferenciálu neotáčejí relativně vůči sobě, je čerpadlo v klidu a hydraulický systém je bez tlaku nebo je tlak udržován na základní úrovni akumulátorem hydraulické kapaliny. Hydraulický píst netlačí na lamely spojky a ta je rozepnuta. Diferenciál je tedy otevřený. Relativní pohyb výstupních hřídelí uvede v činnost čerpadlo a rostoucí tlak v hydraulickém okruhu začne stlačovat prostřednictvím pístu lamelovou spojku a brzdit členy diferenciálu. Vyšší rozdíl rychlosti znamená vyšší tlak a vyšší třecí sílu ve spojce. Nárůst tlaku je řízen škrtícím ventilem a před případným zničením spojky je systém chráněn pojistným ventilem který nedovolí nárůstu tlaku nad stanovenou mez.

Výhoda diferenciálů reagujících na rozdíl rychlosti je v pozvolnějším nástupu jejich blokování což nepůsobí zvýšení nedotáčivosti při nájezdu do zatáčky. Řízení takto vybavených vozů se stává snazším a nedělá problémy ani méně zkušeným řidičům. Viskózní spojky se s oblibou používaly především na vozech s poháněnou přední nápravou, které mají již sami o sobě dost problémů s nadměrnou nedotáčivostí. To že systém pro své uzavírání potřebuje jistý rozdíl otáček bohužel činí problémy stabilizačním systémům vozidel a proto nyní viskózní spojky zažívají jistý ústup.

Od posledního popisovaného řešení je už jen krůček k poloaktivnímu (semiaktivnímu) diferenciálu. Stačí jen, když hydraulické čerpadlo bude pracovat nezávisle na otáčkách kol a tlakový olej do spojky bude dodávat elektronicky řízený ventil. Elektronika potom snímá otáčky kol, ale může sledovat i další parametry jako stáčení vozu, natočení volantu, polohu plynového pedálu a na základě definovaných algoritmů řídí zavírání diferenciálu. Takové řešení pak napomáhá nejen k větší trakční síle, ale dokáže pomoci i se stabilizací vozu, i když je zde pořád jedno výrazné omezení: ani poloaktivní direrenciál nedokáže rozdělit kroutící moment mezi jednotlivá kola nezávisle na adhezních podmínkách na těchto kolech. Stále jen umí přibrzďovat rychleji se točící kolo a urychlovat kolo pomalejší. Toto řešení se proslavilo především díky vozům WRC (World Rally Car) ze soutěžního mistrovství světa.

Nejvyšším systémem je diferenciál aktivní. Ten totiž dokáže urychlit či zpomalit libovolné kolo hnané nápravy čistě na základě povelu elektroniky a dokáže tak velice účinně pomoci se zatáčením zvýšením přetáčivosti, ale i se stabilizací vozu zvýšením nedotáčivosti. Z obyčejného diferenciálu se ale zároveň stane „domeček plný koleček“, takže se jedná o drahou záležitost. Aktivní diferenciál také vyžaduje vyspělý systém sběru dat a výkonný počítač, který data vyhodnotí a rozhodne o další akci. Algoritmy řídící diferenciál musí dokázat předpovídat chování vozu v následujícím okamžiku a jednat s předstihem.

Jako přiklad si můžeme popsat aktivní diferenciál zadní nápravy používaný na populárním Mitsubishi EVO (obrázek 2). Mezi pravou hnací hřídel kola a koš diferenciálu jsou vloženy dvě lamelové spojky. Výstupy těchto spojek jsou napevno spojeny s hnací hřídelí a mezi vstupy a koš diferenciálu jsou vloženy převody. Spojka vpravo je hnána „do rychla“ (vstup do spojky se vždy točí rychleji než koš diferenciálu), zatímco spojka vlevo je hnána „do pomala“ (vstup do spojky je vždy pomalejší než koš diferenciálu).

Když je potřeba urychlit pravé zadní kolo, začne se spínat pravá spojka a hnací pravá hřídel je urychlována. Zároveň se o stejnou hodnotu zpomaluje hřídel vlevo (převod direrenciálu -1!). Pokud je potřeba urychlit levé zadní kolo, začne se spínat levá spojka, což zpomaluje pravou hřídel a o stejnou hodnotu urychluje hřídel levého kola. Mitsubishi nazývá svůj systém AYC (Active Yaw Control), ale názvy pro aktivní diferenciály jsou různé. Například britská firma Ricardo nebo německá ZF vyvíjejí aktivní diferenciál pod názvem „Torque Vectoring“. Aktivní diferenciál od firmy ZF vidíte na obrázku 3. Jeho lamelové spojky nejsou ovládány hydraulicky, ale elektricky prostřednictvím servomotorů.

Doufám, že tento článek poněkud osvětlil problematiku diferenciálů. Je třeba dodat, že se nejedná o úplně triviální záležitosti a zájemce o bližší informace bych odkázal na příslušnou literaturu. Pokud vás zajímá to, zda je pro vás a váš budoucí vůz svorný diferenciál potřeba, pak je článek, jak alespoň doufám, dobrým základním vodítkem. Zcela jistě nějaký ze způsobů zavírání diferenciálu ocení lidé, kteří se se svým vozem pohybují ve ztížených adhezních podmínkách, o tom myslím není pochyb. Vozidla off road určená pro nejnáročnější terén jsou často vybavena jednoduchou, ale spolehlivou uzávěrkou diferenciálu (diferenciálů). Pokud je uzávěrka sepnuta, nedovoluje to vozidlu vysokou rychlost, ale dramaticky to zvýší průchodivost terénem.

U luxusnějších off roadů a terénnějších vozidel SUV můžeme většinou počítat se svornými diferenciály. U nejdražších SUV se dá zřejmě v brzké době počítat s rozšířením aktivních systémů. Cena těchto vozů ospravedlňuje použití nejdražších technologií a především ke zkrocení těchto obříků je každý systém dobrý.

V neposlední řadě je svorný diferenciál výrazným pomocníkem ve sportovním voze. Pokud vlastníte skutečný sporťák s pohonem zadních nebo všech kol, řekněme od BMW M3 směrem výše, můžete počítat s tím, že nějaká z popisovaných technologií se skrývá i v pohonném systému vašeho vozu.

Teď asi vybouřím jistou vlnu nesouhlasu, ale osobně odmítám nazvat sportovním vozem automobil, který nemá svorný diferenciál (a je mi při tom docela jedno o jakou značku se jedná). Jsou výrobci, kteří i k levnějším sportovně laděným vozům přistoupí vážně a utratí ve výrobě nějaké to euro navíc alespoň za jednoduchý svorný diferenciál typu Torsen. Bohužel je stále spousta výrobců, kteří chrlí pseudosportovní hatchbachy s otevřenými diferenciály. Sebevětší výkon motoru je bohužel na nic, když ho nemůžeme přenést na vozovku. Osobně nevidím nic sportovního na „tédéíčku“, zuřivě hrabajícím při startu z křižovatky v přímém směru, které má pak problémy zatočit s přetěžkým ingotem před přední nápravou, jehož drasticky kroutící moment je navíc v zatáčce nepoužitelný. Ono jezdit rychle v přímce nevyžaduje velkého umění, bohužel to mnoha jedinců stačí k demonstraci pochybné nadvlády.

Pokud nejezdíte ani v terénu ani se zvednutými vnitřními koly v zatáčce pak si s otevřeným diferenciálem vystačíte. Pro stav nouze se, především v zimě, často hodí systém kontroly trakce, který přibrzdí prokluzující kolo pomocí kolové brzdy na základě údajů z čidel ABS. Když není ve voze ani to, pak musí pomoci lopata písku nebo pár ochotných rukou.