A differenciálmű és annak zárása

Kevesen gondolnák, hogy létezik olyan alkatrész a személygépkocsikban, amely szinte a kezdetek óta jelen van, és még mindig nélkülözhetetlennek számít – pedig eredetileg nem is autókba szánták.

A differenciálművet rengeteg misztikum övezi, pláne azt a tulajdonságát, hogy részben vagy egészében zárni is lehet azt.

Ebben a cikkben azt mutatjuk be, hogy miért van szükség a különböző differenciálmű zárásokra, és hogy miként hasznosítják azt a közúti- és közúton kívüli közlekedésben.

Történeti áttekintés

Noha az 1600-as évek olasz feltalálójának a kardántengely és a kardánkeresztes csukló miatt maradt fenn a neve, valójában a differenciálmű is hozzá köthető. És nem, a középkor nem elírás, ugyanis ezeket a szerkezeteket eredetileg mechanikus órákba szánta Gerolamo Cardano, a járműipar pedig később adaptálta azokat.

A modern kori, autózással kapcsolatos szabadalom Onésiphore Pecqueur nevéhez köthető 1827-ből, aki egyébként eredetileg szintén órák (ez esetben karórák) készítésével foglalkozott.

A differenciálmű működése

A differenciálműnek alapvetően két feladata van: biztosítania kell a tengely mindkét végén elhelyezett kerekek azonos fordulattal történő hajtását – ez az egyenes menet; a másik feladat a lehetővé tétele annak, hogy a két hajtott kerék egymástól eltérő fordulatszámmal is képes legyen forogni – erre van szükség ívmenetben.

A két feltételnek egyszerre kell teljesülnie, hiszen az autó működése során mindkét helyzet előáll.

Ha a kanyarban a gépjármű kerekei nem tudnának egymástól függetlenül forogni, akkor a haladás csak úgy volna lehetséges, hogy minimum az egyik, de akár mindkét kerék csúszik a talajon – ezt láthatjuk például a differenciálművel nem rendelkező gokartok esetén.

Közúton viszont ez mind biztonsági, mind pedig gazdasági szempontból kedvezőtlen, hiszen a megcsúszó vagy túlpörgő kerekű jármű tapadása, stabilitása és ezáltal a kormányozhatósága jelentősen lecsökkenne, másrészt a gumiabroncsok gyorsabban és egyenetlenül kopnának.

Amiért a zárásra szükség van

Alapesetben a személygépkocsik a klasszikus (szimmetrikus) differenciálművet alkalmazzák, ami a legegyszerűbb és legolcsóbb szerkezet a piacon. Azonban vannak hiányosságai.

Ha a jármű egyik féltengelye áll, vagyis a szögsebessége nulla, akkor a másik féltengely szögsebességét a differenciálmű a saját szögsebességének duplájára emeli. Ez valósul meg például a lánctalpas járművek ún. sarkon fordulásánál, amikor az egyik lánctalpat állóra fékezik.

Közúton hasonló jelenség akkor állhat elő, ha például az út szélén megáll a jármű, és a padkán jégre hajt.

A szimmetrikus differenciálmű egyenletesen osztja el a rendelkezésre álló nyomatékot. Ennek következtében a másik, jól tapadó keréken sem tud nyomatékot leadni. Ennek az lesz az eredménye, hogy a motor és a jégen lévő kerék felpörög, a jármű pedig áll.

Önzárás

Később erre is találtak megoldást. A differenciálmű belső súrlódása akadályozza a fogaskerekek forgását a differenciálmű házhoz képest. Emiatt a féltengelyek nyomatékegyensúlya felbomlik, hogyha az egyik oldal gyorsabban kezd forogni a másiknál. A lassabban forgó keréknél kezd nagyobb nyomaték ébredni, mégpedig annyival nagyobb, amekkora a belső súrlódás mértéke.

Ha a belső súrlódás elég nagy, akkor a fenti példa esetén a jármű jól tapadó kereke kellő nagyságú nyomatékot kap, és képes elindulni egyetlen hajtható kerékkel is.

A gyakorlati megvalósítások igen szerteágazók, ezek közül csak néhány példát mutatunk be.

A legegyszerűbb, leginkább driftautóknál alkalmazott kivitel a mechanikus kuplungos differenciálmű. Az önzárási tényezője úgy növekszik, ahogyan a motortól érkező nyomaték. Ebből az következik, hogy ívmenetben, nagy gázadásra képes igazán összezárni, ami elengedhetetlen a látványos farolásokhoz – közúti használatra kevésbé alkalmas.

Raliautóknál rendszeresen használt megoldás a Torsen, vagy homlokkerekes differenciálmű. Fontos azonban megjegyezni, hogy mind a versenyautóknál, mind pedig a terepjáróknál egyéb segédberendezésekkel együtt alkalmazzák, ugyanis van egy komoly hátránya a kifinomultsága ellenére. A tapadó kerekekre a kevésbé tapadó keréken átmenő nyomaték szorzatát továbbítja. Ennek értelmében, ha a kevésbé tapadó keréken egyáltalán nincs tapadás, akkor sem az egyik, sem a másik kerék nem kap nyomatékot. A jelenség kiküszöbölését intelligens fékrendszerrel szokták orvosolni.

Az egyik legköltséghatékonyabb megoldás az önzáró differenciálművek körében a viszkokuplungos differenciálmű. Sok esetben osztóműként is találkozhatunk vele, két hajtott tengely között. A belső súrlódást ebben az esetben a hajtott tengelyre rögzített lamellák között áramló folyadék viszkozitása idézi elő: minél nagyobb a tengelyek közötti forgáskülönbség, annál nagyobb a folyadék ellenállása. Kompakt és egyszerű szerkezet, ám nagy igénybevételnél könnyen túlmelegedhet. Sorozatosan nagy terhelésnél pedig a folyadék elveszíti viszkozitását – és ezzel a differenciálmű az önzárási képességét, ezért a versenysportban nem jellemző a használata.

Nagy terhelési igényű feladatokra a leggyakrabban használt kivitel a hidraulikus kuplungos önzáró differenciálmű. A szerkezet nagyon hasonlít egy hagyományos szimmetrikus differenciálműre, azzal a különbséggel, hogy a féltengelyek egy-egy kisméretű olajszivattyút hajtanak. Azonos forgási sebességnél nem történik semmi, ám ha az egyik tengely többet forog, azon az oldalon megnő az olajnyomás, aminek következtében a kuplungtárcsák összezárnak. Elektronikusan, mágnesszeleppel is vezérelhető, rendkívül stabil és terhelhető.

Differenciálzár

Szimmetrikus differenciálmű esetén is van lehetőség az önzárásra, csak más módon.

A fenti hiányosságot igyekeztek pótolni a szerkezetnél az időszakosan működtethető differenciálzárral. Bekapcsolásakor a differenciálműház és az egyik féltengely merev összekapcsolásával a differenciálmű kiegyenlítő hatását teljesen kiiktatják, tehát a féltengelyek csak azonos fordulatszámmal foroghatnak.

A be- és kikapcsolás történhet elektronikus, hidraulikus vagy mechanikus úton – akár kiszállva a gépjárműből.

A differenciálzárat nehéz tehergépjárműveknél és terepjáróknál előszeretettel alkalmazzák, kiváltképp nehéz terepen, laza talajon.

Hátránya pont ugyanaz, mintha nem lenne differenciálművünk, hiszen ilyenkor nem tölti be a funkcióját: szilárd útburkolaton mindenképp ki kell kapcsolni, mert a hajtáslánc végleges károsodását, illetve a gumiabroncsok extrém kopását eredményezheti. Megfelelő kezelése tehát a járművezetőre van bízva.