Ce este diferenţialul auto?

Diferenţialul este un sistem de viteze care permite diferitelor roţi motrice (roţile cărora le este furnizată puterea de la motor) de pe aceeaşi axă să se rotească la viteze diferite, cum ar fi atunci când maşina se învârte.

Un diferenţial este, de asemenea, componenta prin care un arbore de transmisie rotativ poate schimba direcţia; de exemplu, într-o mașină cu tracțiune spate al cărei arbore de transmisie se întinde pe lungimea mașinii, acesta se unește și își transferă puterea unei axe care merge perpendicular pe mașină pentru a conduce roțile din stânga și din dreapta.

Diferențialele sunt componente sigilate, cu întreținere redusă, care se preconizează că vor dura toată viața vehiculului, dar pot avea un interval de service recomandat pentru a verifica și/sau înlocui uleiul. Rețineți că o mașină cu tracțiune integrală poate avea două sau mai multe diferențiale. Un diferențial defectuos poate provoca vibrații, blocare în timpul virajelor și/sau sunete de la zgomot până la urlet.

Cum funcționează diferenţialul?

Diferențialul preia mișcarea de rotație de la axa din cutia de viteze și o repartizează catre roți prin arborii planetari. Această repartizare se face diferențiat pentru ca roțile să ruleze cu viteza optimă necesară.

În cazul în care un vehicul își schimbă direcția, distanța parcursă de roți se schimbă și ea. Roțile din partea interioară vor parcurge o distanță mai mică decât cele exterioare. În acest caz diferențialul ajută ca roțile să fie tot timpul echilibrate.

Totuși sunt cazuri în care blocarea diferențialului este benefică pentru că ajută vehiculul să traverseze porțiuni de drum în care e nevoie de o aderență mare.

Pentru astfel de cazuri s-a inventat diferențialul blocabil care practic asigură că toate roțile unui vehicul se roteasc cu aceeași viteză de rotație.

În linie dreaptă, carcasa, fiind solidară cu coroana antrenată de arborele de ieşire al cutiei de viteze, se roteşte împreună cu întreg ansamblul şi antrenează pinioanele planetare, mai departe mişcarea ajungând prin arbori la roţile motoare. În acestă situaţie, pinioanele satelit nu se rotesc în jurul axului propriu.

Atunci când una dintre roţi patinează, în timpul mişcării carcasei, în interior se vor roti şi pinioanele satelit în jurul propriului lor ax, cealaltă roată a vehiculului rămânând imobilă.

De aici rezultă principalul inconvenient al diferențialului: dacă una dintre roţi pierde aderenţa, aceasta se va învârti în gol, cuplu motor nu se va mai transfera către cealaltă roată iar vehiculul nu va mai putea înainta. Pentru eliminarea acestui neajuns, se folosesc dispozitive care distribuie cuplul către ambele roţi.

Din ce este compus un diferential auto?

Energia cinetică vine de la motor prin cardan ca o mișcare de turație. Diferențialul este compus din 6 roți dințate de diferite mărimi și diferite înclinații.

O roată dințată de la cardan numită pinion (6) învârte o roată mai mare, numită inel de bază (2), care este conectată la rândul sau de două roți independente numite roata-păianjen (4). Iar acestea sunt legate de cele două roți de tracțiune (3), câte una pentru fiecare planetară.

Totul este bazat pe funcționarea facilă pe rulmenți, într-o carcasă plină cu ulei special.

Rolurile unui diferențial auto

Pe lângă evitarea învârtirii roților în viraje cu aceeași viteză, diferențialul mai are două roluri:

1. Unul este transformarea mișcării longitudinale de la cardan în mișcare transversală către roți.
2. Al doilea rol este reducerea turației cardanului înainte ca energia de rotație să ajungă spre roți, ducând astfel la creșterea cuplului.

Tipuri de diferenţiale

Diferențialul Deschis (Open Differential)

Este cel mai des întâlnit tip de diferențial în cazul automobilelor de serie, fiind și cel mai simplu (și cel mai ieftin pentru producător). Este compus din niște roți dințate, un pinion principal, două secundare și înca două care sunt direct conectate de planetare.

Pinionul principal (asemănător unei volante) este cel care primește cuplul de la motor și mai apoi îl transmite către planetare prin intermediul celorlalte perechi de pinioane mai mici.

Dar atunci cand automobilul va efectua un viraj, roțile vor trebui să se învartă cu viteze diferite, iar cele două pinioane intermediare vor interveni și se vor “cupla” la celelalte, determinând o scădere în viteză a roții situate pe interiorul virajului și o creștere proporțională de viteză roții de pe exterior.

În acest fel se rezolvă eventualele probleme datorate uzurii cauciucurilor, suprasolicitărilor în elementele transmisiei, precum și problemele de aderență.

Diferențialul deschis mai are niște particularități. Faptul că încearcă să aplice același cuplu ambelor roți, mai mult, maximumul de cuplu care poate fi transmis unei roți este direct relaționat cu maximumul de cuplu pe care cealaltă roată îl poate transfera suprafeței de rulare. Cu alte cuvinte, acest diferențial nu poate transmite mai mult cuplu roților, decât maximumul care nu va face ca roțile să patineze.

Diferențialul deschis nu poate asigura roții cu mai multă aderență, decât maximumul de cuplu pe care roata cu mai puțină aderență îl poate transfera suprafeței de rulare.

Se poate spune că diferențialul deschis va încerca să transfere maximumul de cuplu roții care beneficiază de cea mai mică aderență, făcând ca tot acest cuplu să se piardă, prin rotirea în gol a roți respective.

De exemplu, dacă o roată se află pe gheață și cealaltă pe asfalt, diferențialul nu va asigura roții aflate pe asfalt decât maximumul de cuplu care nu va face ca roata cealaltă, aflată pe gheață, să patineze. Și nu este nevoie de prea mult cuplu pentru ca o roată aflată pe gheață să patineze.

Prin urmare, într-o situație de acest fel, roata care se află pe asfalt, care ar putea face automobilul să înainteze, nu va putea face acest lucru din cauză că la ea ajunge exact același cuplu care ajunge și la cea aflată pe gheață.

Mai ales în situații de off-road, această situație este cea mai dificilă. Se poate întâmpla ca una dintre roțile motoare să fie suspendată, deci să beneficieze de 0 (zero) aderență. În acest caz, diferențialul deschis nu va putea gestiona situația – nu va transfera niciun cuplu celeilalte roți și automobilul va rămâne împotmolit.

Un diferențial deschis nu va putea transmite roții cu aderență mai bună decât doza de cuplu de care beneficiază roata cu cea mai mică aderență. În cazul de față, chiar dacă discutăm de asfalt, aderența va fi influențată de transferul de mase, până la nivelul În care roata care ar trebui să asigure accelerarea și, implicit, recuperarea din derapaj, din supravirare, nu ar putea face acest lucru, nebeneficiind de cuplu.

Nu trebuie să se înțeleagă că diferențialul deschis este, prin definiție, un sistem rudimentar. Din dimpotrivă, este un sistem foarte bun, în situații de aderență bună și, mai ales, în cazul unui comportament rezonabil al conducătorului auto.

Ultimele generații de automobile beneficiază de un sistem menit să “controleze limitările” diferențialului deschis, prin intervenția electronicii și a ABS-ului pentru gestionarea unor astfel de situații de urgență. Termenul generic este ETC (Electronic Traction Control).

Diferențialul blocat (autoblocant) sau “inchis”

Dacă la diferențialul deschis cele două pinioane conectate de planetare ar fi sudate între ele, indiferent de rotirea volanului sau de aderența disponibilă, cele două roți ar fi silite să se deplaseze simultan, cu aceeați viteză de rotație. Este cea mai simplă explicație a diferențialului blocat.

Autoblocantele dispun de diferite sisteme (mecanice, pneumatice, hidraulice etc.) menite să asigure blocarea pinioanelor interne, dar acesta este principiul de bază.

Cea mai importantă aplicație (cel mai mare avantaj) apare în situația în care una dintre roți nu are deloc aderență. În cazul acesta, un autoblocant va interveni și va transmite întreg cuplul asigurat de motor roții cu aderență bună, chiar dacă cealaltă roată este suspendată. Nu înseamnă că va face acest lucru “inteligent”.

Adică, modul lui de funcționare nu implică vreun sistem de senzori și un computer care să-i spună spre ce roată trebuie să transmită cuplul-motor. Un autoblocant va face acest lucru “în orb”, pur și simplu mecanic. De aici și zona de utilizare aproape exclusivă a autoblocantului, respectiv off-road-ul.

În majoritatea cazurilor, pneul situat pe exteriorul virajului va rula corect pe sol, în timp ce pneul situat pe interior (care beneficiază de mai puțina adereță, din cauza transferului de mase) fiind silit din cauza diferențialului să se rotească cu aceeași viteză (ca și cel de pe exterior), va intra intr-o faza de patinaj, fapt care va duce la uzură prematură.

În plus, autoturismul va avea în permanență tendința de a reveni la postura de linie dreaptă, fapt ce va face fiecare viraj mult mai dificil, afectând stabilitatea și confortul.

Diferenţialul autoblocant cu lamele

Este fără îndoială cel mai răspândit în aria motorsportului, datorită eficacităţii cât şi a dimensiunilor reduse, care îl recomandă pentru înlocuirea diferențialului de serie fără modificări suplimentare. Cuplul nu se transmite direct de la carcasă la axul sateliţilor ca la un diferenţialul simplu, ci prin intermediul a două inele de presiune solidare la rotaţie cu carcasa diferențialului.

Atunci când creşte momentul aplicat, axele celor 4 sateliţi se deplasează pe planurile înclinate ale inelelor depărtându-le, iar acestea presează asupra pachetelor de discuri.

Mărimea şi numărul discurilor de fricţiune determină cuplul care poate fi transferat, iar unghiul la care sunt prelucrate planurile înclinate determină momentul cuplării diferențialului, o pantă mai lină determinând blocarea la diferenţe mai mici între vitezele de rotaţie ale pinioanelor planetare.

Diferențialul cu alunecare limitată – LSD (Limited Slip Differential)

Deși sunt diferite constructiv și ca mod de operare, toate tipurile de LSD enumerate mai sus au misiunea de a asigura același lucru, descris în definiție.

 

Diferențialele de tip Torsen (Quaife, Peloquin etc.)

Torsen este un termen care provine din expresia “torque sensitive” (care “simte” cuplul, sensibil la cuplu), expresie care descrie însuși modul de operare al sistemului.

Torsen este tipul de diferențial a cărui principală caracteristică – în care rezidă, de altfel și calitatea și performanțele sale – este că reacționează imediat la orice dezechilibru de cuplu apărut între cele două roți motoare, direcționand cuplul către roata care îl poate transfera cu succes suprafeței de rulare, adică spre roata cu aderență ridicată.

Diferența fundamentală între LSD și diferențialul deschis este aceea că diferențialul deschis va trimite întotdeauna cuplul motor spre roata care beneficiază de mai puțină aderență, iar cuplul transmis se va pierde prin învârtirea în patinaj a roții.

Aceste tipuri de LSD-uri (Quattro de la Torsen și Quaife sunt similare, dar nu identice) au ceea ce se cheamă un “raport de multiplicare” a cuplului, în general cu valori de 1 : 4 sau 1 : 5. Adică, dacă un cuplu de 30 Nm este direcționat către roata cu minimă aderență, LSD-ul va direcționa instantaneu un cuplu de aproximativ 120 Nm sau 150 de Nm spre roata cu aderență mai bună, adică de 4 sau 5 ori mai mare decât cuplul minim pe roata cu aderență redusă. Există totuși și câteva dezavantaje.

De exemplu, un LSD nu se va putea niciodată comporta ca un diferențial blocant, dacă una dintre roți are aderență 0 (zero), adică este suspendată. Și asta din cuza raportului de multiplicare: adică, dacă un raport de multiplicare a cuplului este de 1 : 4, dar una dintre roți are aderență 0 (zero), cealalta va avea tot 0, pentru că 0Nm x 4 = 0 Nm. Din acest motiv LSD-urile nu sunt prea des folosite la off-road extrem.

Alte (mici) dezavantaje ar fi că LSD-ul este un pic mai greu decât un diferențial deschis, nu poate fi setat sau modificat în ceea ce privește raportul de multiplicare și cuplul maxim la care rezistă, pe care-l poate gestiona și care vine de la motor.

Pentru aceia mai “spotivi”, diferențialul cu alunecare limitată este spectaculos pe drumuri cu succesiuni de viraje, deoarece permite să se accelereze (automobile FWD) mult mai devreme și mai intens. Entuziaștii auto susțin că, după montarea unui LSD pe automobilele cu tracțiune fată, au avut impresia că stau la volanul unei integrale.

Cuplajul Haldex

Utilizat de asemenea preponderent ca diferenţial interaxial, însă la autoturismele cu tracţiune integrală semi permanentă sau, mai corect, TOD (Torque On Demand – cuplu atunci când este solicitat), şi pe multe din categoria SUV (de exemplu, pe modelele din gama VW cu tracţiune faţă şi disponibile în variante 4×4), este practic un ambreiaj multidisc în baie de ulei comandat de către o centrală electronică prin intermediul unui actuator hidraulic care asigură cuplarea celor doi arbori, de intrare şi respectiv de ieşire.

Acest cuplaj stă la baza aşa numitelor diferenţiale active, cum este şi diferenţialul interaxial care se echipează de exemplu Mitsubishi Lancer Evo VII şi următoarele.

O aplicaţie interesantă este aşa numitul AYC (Active Yaw Control), introdus pentru prima dată pe Mitsubishi Evo IV şi disponibil pe cel mai nou Eclipse Cross, care, prin utilizarea unui diferenţial activ similar, livrează un cuplu mai mare pe roată spate dinspre exteriorul virajelor pentru a permite parcurgerea mairapidă a acestora.

Unele autovehicule utilizează o soluţiesimilară dar cu un actuator electric. De exemplu, modelele BMW cu tracţiune integrală xDrive fabricate după 2003, realizează cuplarea ambreiajului multidisc cu ajutorul unui servomotor electric care acţionează un disc cu came.

 

Vehicule 4×4, tracțiunea integrală

Vehiculele destinate cu adevărat terenurilor accidentate folosesc de regulă o transmisie integrală nepermanentă, cuplarea punţii faţă realizându–se la comanda şoferului printr-o cutie de transfer. Transmisia acestora imprimă aceeaşi turaţie arborilor faţă şi spate, având câte un diferenţial pe fiecare punte motoare. 

Acestea pot fi libere, autoblocante sau blocabile la comandă prin sisteme similare celor care cuplează treptele în cutiile de viteze.

Autoturismele 4×4 şi SUV-urile necesităînsă câte trei diferenţiale, unul pentru fiecare punte şi altul interaxial care să permită viteze de rotaţie diferite ale roţilor faţă şi spate la parcurgerea virajelor.

Aceste trei diferenţiale pot limitată, variantele prezentate mai sus, în diferite combinaţii.

În prezent, foarte mulţi constructori ce urmăresc reducerea costurilor suplinesc montarea unor diferenţiale cu alunecare limitată prin funcţii ale sistemelor electronice de control al tracţiunii, realizând transferul cuplului motor către roţile cu aderenă mai bună prin frânarea celor care tind să patineze.

Îngrijirea Diferenţialului

Întreținerea regulată a oricărui vehicul este o necesitate din schimburile de ulei, curele, furtunuri și alte fluide. Lichidul diferențial nu face excepție. Uleiul diferențial este folosit pentru lubrifierea transmisiilor manuale și diferențialelor. Este similar cu importanța uleiului de motor pentru motor. Joacă un rol vital în protejarea diferențialului și transmisiei, permițându-le să funcționeze în siguranță și fără probleme.

Lichidul diferențial uzat devine murdar și contaminat în timp. Continuarea conducerii cu lichid contaminat este riscantă, deoarece poate duce la uzura inutilă a componentelor, ceea ce duce la daune permanente. Semnează serviciul de nevoi diferențiale:

• Zgomot  numai la decelerare.
• Un urlet sau un scâncet în timpul accelerării la viteze mici sau mari.
• Vâjâit sau vârâit la viteze de peste 20 MPH, dar se schimbă în timp ce virați.
• Sunet regulat la fiecare câțiva pași sau când începeți să vă mișcați.
• Vibrație constantă care crește odată cu viteza vehiculului.

Lichidul diferențial mai este cunoscut și sub denumirea de ulei de viteze sau uleiul din cutii de viteze (schimbat la fiecare 30.000 de mile pentru a nu depăși 60.000 de mile), de către un tehnician calificat. Uleiul curat și proaspăt permite o mai bună protecție a diferenţialului, ceea ce duce la o călătorie mai sigură. Ca și în cazul oricărei componente a vehiculului, piesele bine lubrifiate sunt egale cu o performanță optimă.