Niezależnie od typu pojazdu, mechanizm różnicowy jest obecnie powszechnie stosowany. Nie spotyka się już prawie samochodów, które mają tzw. sztywną oś napędową, a więc taką, gdzie koła pojazdu osadzone są na wspólnej osi napędzanej kołem talerzowym przekładni głównej. Nawet dla pojazdów poruszających się w trudnych warunkach terenowych, dla których pożądane może być okresowe wykorzystanie osi sztywnej (pojazd charakteryzuje się wtedy zdolnością pokonywania większych wzniesień, i ruszania z miejsca na nawierzchniach o niskim współczynniku przyczepności), konstrukcja układu napędowego umożliwia zblokowanie lub rozłączenie półosi napędowych zależnie od potrzeb i uznania kierowcy.

Pewną zaawansowaną odmianą układu blokowania półosi napędowych jest układ ASR łącznie z wszystkimi jego odmianami (o tym w kolejnych odcinkach Akademii).

Przekładnia główna - mechanizm różnicowy
Typowa, stożkowa przekładnia główna w samochodzie, oprócz znanych właściwości kinematycznych i dynamicznych, pełni również funkcję przekładni kątowej ăzmieniającej kierunekÓ prędkości obrotowej. Znane są również przekładnie o innej konstrukcji, np. tzw. przekładnie walcowe lub przekładnie dwustopniowe składające się z przekładni kątowej i przekładni walcowej (rys. 1, 2). Podstawowymi elementami przekładni są koło zębnika osadzone na wałku połączonym np. z wałem napędowym i koło talerzowe, którego oś umieszczona jest prostopadle do osi zębnika (rys. 2).

rys. 1.	rys. 2.
1 - elementy przekładni głównej 2 - elementy mechanizmu różnicowego

Mechanizm różnicowy jest pewną odmianą - szczególnym przypadkiem przekładni obiegowej (planetarnej). Rys. 4 i 5 przedstawiają przekroje rzeczywistej konstrukcji mechanizmu umieszczanego w większości (napęd klasyczny) w tzw. główce mostu napędowego. Mechanizm składa się z obudowy połączonej z kołem talerzowym oraz stożkowych kół zębatych zazębionych ze sobą. Dwa koła zębate, nazywane kołami koronowymi, są osadzone na końcach półosi napędowych, pozostałe w liczbie co najmniej dwóch (trzech, czterech), nazywane satelitami, są osadzone obrotowo na osiach zamocowanych w obudowie.

Nie wnikając chwilowo w szczegóły, możemy zapisać, że przełożenie mechanizmu różnicowego (nazywane przełożeniem wewnętrznym) wyraża się wzorem:

gdzie:
1 - prędkość kątowa lewej półosi
2 - prędkość kątowa prawej półosi
0 - prędkość kątowa obudowy mechanizmu różnicowego

Po przekształceniu otrzymamy podstawową zależność charakteryzującą właściwości mechanizmu różnicowego:

Zależność tę nazywamy podstawową, ponieważ wynika z niej wzajemny stosunek wszystkich prędkości obrotowych elementów wirujących w mechanizmie: jeśli podczas jazdy na zakręcie, prędkość obrotowa jednego z kół ulegnie zwiększeniu, to prędkość drugiego koła zmniejszy się w tym samym stopniu. Zależność ta jest szczególnie istotna w sytuacjach właściwych dla pory zimowej, kiedy pojazd może znaleźć się kołami lewymi i prawymi na nawierzchni o różnych współczynnikach przyczepności (np. prawe - na śniegu, lewe - na asfalcie). Próba ruszania z miejsca pojazdem wyposażonym w klasyczny mechanizm różnicowy może okazać się utrudniona - jedno koło (to spoczywające na asfalcie) pozostanie nieruchome, drugie (na śniegu) będzie obracało się z prędkością dwukrotnie większą:

Jeśli np. 2 = 0, to wtedy 2 0 = 1, czyli koło oznaczone umownie 1 będzie obracało się z prędkością dwukrotnie większą od prędkości obudowy mechanizmu różnicowego.

Po co ta różnica?
Mechanizm różnicowy (nazwa międzynarodowa), niezależnie od tego, czy w języku angielskim, niemieckim, francuskim czy rosyjskim, określenie - różnica - pojawia się zawsze. Różnica czego, jakich wielkości, jakie wielkości muszą lub powinny różnić się od siebie, czy zawsze muszą się różnić? Na te pytania postaramy się odpowiedzieć, jakkolwiek odpowiedzi będą związane z poruszaniem problemów, które nie zawsze okażą się łatwe.

rys. 4.	rys. 5.

Mechanizm różnicowy zastosowany w układzie napędowym umożliwia ărozdzielenieÓ kół lewej i prawej strony i obracanie się tych kół z różnymi prędkościami obrotowymi. O tej właściwości mechanizmu różnicowego wiedzą prawie wszyscy. Bardziej wtajemniczeni wiedzą również, że występujące różnice dotyczą także wartości momentu obrotowego, który dociera do kół lewych i prawych. Moment obrotowy w przekładni głównej jest dzięki mechanizmowi różnicowemu dzielony na koła lewe i prawe, w stosunku określonym przez parametry konstrukcyjne przekładni, wyrażone m.in. wartością współczynnika momentu tarcia wewnętrznego mechanizmu różnicowego.

Mechanizm różnicowy - niezbędny (prawie) zawsze
Nawiązując do rozważań przedstawionych wcześniej, zauważamy, że koła lewe i prawe mogą obracać się z różnymi prędkościami, a niezależnie być napędzane różnymi momentami napędowymi. Szczególnie istotna jest ta ostatnia właściwość mechanizmu różnicowego, umożliwiająca dobranie odpowiedniego stosunku rozdziału momentu doprowadzonego do obudowy mechanizmu różnicowego tak, aby momenty ăwychodząceÓ z przekładni były dzielone w stosunku innym niż 1:1. Jest to wykorzystane w pojazdach z napędem 4x4, 4x6 lub 6x6, a więc zarówno w pojazdach terenowych, wyczynowych, jak i użytkowych, w których konieczne jest zapewnienie rozdziału momentu na osie w odpowiednim założonym stałym (lub zmiennym) stosunku. W naszych rozważaniach pojawi się więc określenie: mechanizm różnicowy międzyosiowy, a nazwa dokładnie charakteryzuje ten rodzaj przekładni (o tej konstrukcji trochę później).

Uzasadnienie dla stwierdzenia zawartego w śródtytule wydaje się proste: musimy zróżnicować parametry towarzyszące obracaniu się kół, ponieważ wymuszają to warunki drogowe: koła poruszają się po łuku, po nawierzchniach o różnych współczynnikach przyczepności - nie powinny więc obracać się ătak samoÓ, gdyż jest to niepotrzebne, niepożądane, a niekiedy wręcz szkodliwe.

Niekiedy jednak różnicowanie parametrów charakteryzujących ruch obrotowy kół nie jest potrzebne prowadzącemu pojazd, czasem wręcz chciałby on zrezygnować z posiadania mechanizmu różnicowego i poruszać się pojazdem wyposażonym w tzw. oś sztywną. Może się tak zdarzyć podczas jazdy w ătrudnym terenieÓ z nawierzchnią o zróżnicowanej przyczepności, o dużych kątach nachylenia do poziomu.

Właściwości dynamiczne mechanizmu różnicowego sprawią, że pojazd będzie miał ograniczone możliwości pokonywania wzniesień, czasem nawet ruszenie z miejsca będzie niemożliwe. Zastosowanie osi sztywnej radykalnie zmienia zachowanie pojazdu, zwiększa się możliwość pokonywania wzniesień i ruszania na śliskiej nawierzchni.

Dążąc do zapewnienia kierowcom komfortu w prowadzeniu pojazdu, nawet w tak trudnych warunkach stosuje się mechanizmy o podwyższonym tarciu wewnętrznym, mechanizmy umożliwiające blokowanie półosi lub/i mechanizmy ASR - rozbudowane w wielu pojazdach aż do układu sprzężenia z silnikiem i całym układem napędowym.

Koła obracają się z różnymi prędkościami
Koła samochodu obracają się z różnymi prędkościami dość często - wystarczy, że pojazd porusza się po łuku (pokonuje zakręt o dowolnym promieniu), aby koła zewnętrzne i wewnętrzne obracały się z różnymi prędkościami. Uzasadnienie, dlaczego prędkości kół zewnętrznych i wewnętrznych różnią się jest proste. Wystarczy stwierdzenie, że w tym samym czasie muszą one przebyć różną drogę (wynikającą z promienia łuku, po którym się toczą). Trzeba tu wyraźnie podkreślić, że powstająca różnica prędkości kół zewnętrznych i wewnętrznych wynika stąd, iż pojazd nie jest ăpłaskiÓ (jak np. rower) i ma określony rozstaw kół. Im ten rozstaw jest większy, tym różnica w prędkościach obracania się kół będzie większa; różnica prędkości obracania się kół będzie również większa wtedy, gdy większa będzie różnica promieni, po których poruszają się koła zewnętrzne i wewnętrzne. Sytuację taką pokazuje rys. 6, gdzie schematyczne przedstawiono tylną (nie kierowaną) oś pojazdu skręcającego po łuku o średnim promieniu Rśredni. Średnim, tzn. wynikającym z promienia, po którym poruszają się koła zewnętrzne Rz i wewnętrzne Rw.

Koła poruszające się po łuku zewnętrznym będą chciały obracać się szybciej od tych obracających się po łuku wewnętrznym (muszą przebyć większą drogę w tym samym czasie). Można więc wyobrazić sobie, że koła zewnętrzne będą napędzały wewnętrzne, które poruszając się po nawierzchni o pewnej przyczepności będą przeciwstawiały się temu napędowi (zjawisko takie będzie trwało aż do przekroczenia granicy przyczepności). Efektem będzie powstawanie znacznego momentu skręcającego półoś, działającego przemiennie, zależnie od tego, w którą stronę będzie wykonywany skręt. W literaturze fachowej wspomina się niekiedy o zjawisku mocy krążącej w układzie przekładni głównej, mocy powstającej właśnie na skutek różnicy prędkości kół.

Powstająca podczas jazdy po łuku różnica prędkości sprawia, że koła toczą się z poślizgiem większym niż to wynika z ogólnych warunków współpracy koła z nawierzchnią. Poślizgi są wtedy na tyle znaczące, że objawiają się występowaniem przyspieszonego zużycia bieżnika opon.

Na podstawie zależności z rys. 6 i podstawowej wiedzy z mechaniki, możemy wyrazić zależności pomiędzy prędkościami kół zewnętrznych i wewnętrznych od parametrów charakteryzujących pojazd (rozstaw kół - B) i ruch pojazdu (promień łuku - R).

Tym razem bardzo potrzebne tarcie
Siła tarcia występująca w mechanizmie różnicowym odgrywa znaczącą rolę w przekazywaniu momentu napędowego na każdą z półosi. Zależności pomiędzy momentami obrotowymi sa następujące:
gdzie:

T1 - moment obrotowy przenoszony przez półoś lewą
T2 - moment obrotowy przenoszony przez półoś prawą
T0 - moment obrotowy doprowadzony do obudowy mechanizmu różnicowego
Tt - moment tarcia

Moment tarcia jest to moment, jaki należałoby przyłożyć do jednej półosi, aby przy nieruchomej obudowie doprowadzić do obracania się drugiej półosi (w przeciwnym kierunku). Dopóki występujący w mechanizmie różnicowym moment sił tarcia nie przekroczy ustalonej konstrukcyjnie wartości momentu tarcia Tt, satelity nie będą obracały się na swoich osiach, pośrednicząc jedynie swoimi zębami w przekazywaniu momentu T0 do kół koronowych. Dopiero po przekroczeniu wartości momentu sił tarcia zadziała mechanizm różnicowy. Ustalając konstrukcyjnie wartość momentu sił tarcia, określamy tym samym zakres pracy mechanizmu różnicowego, a więc zakres, w którym pojazd porusza się tak, jakby miał oś sztywną. Po przekroczeniu ustalonej wartości półosie ărozłączają sięÓ, a pojazd zaczyna wykazywać odmienne właściwości dynamiczne.

Przyjmując odpowiednio wysoką wartość sił tarcia w mechanizmie różnicowym, sprawiamy, że zadziała on później, czyli umożliwi rozwinięcie większej siły napędowej przez koło znajdujące się na nawierzchni o określonej przyczepności - ułatwi to np. ruszanie z miejsca na śliskiej nawierzchni lub wjechanie pod wzniesienie pokryte nawierzchnią o małej przyczepności. Właściwości takiego mechanizmu sprawiają, że jest on bardzo chętnie stosowany w pojazdach terenowych, ciężarowych i tych, które poruszają się w trudnych warunkach drogowych. Wadą takich mechanizmów jest niestety znacznie niższa sprawność (większy moment tarcia wewnętrznego) i nieuniknione straty mocy.

Trudne pojęcia
Przystępując do bardziej wnikliwej analizy właściwości mechanizmu różnicowego, na podstawie rys. 6, zapiszemy:

Po podstawieniu

 otrzymamy po przekształceniach zależność pomiędzy prędkościami Vz i Vw:

Przykład
Pojazd porusza się po łuku drogi o promieniu R = 300 m (łagodny łuk). Rozstaw kół wynosi 1800 mm - koła zewnętrzne będą więc poruszały się po łuku o promieniu 300,9 m, a wewnętrzne - 299,1 m. Stosunek prędkości Vz do Vw wyniesie 1,006. Jeśli jednak pojazd będzie poruszał się po łuku o małym promieniu - np. R = 15 m (np. podczas zawracania), stosunek prędkości będzie miał wartość 1,127.

Moment tarcia duży czy mały
Współczynnik momentu tarcia wewnętrznego k = TT/T0 określa ważną właściwość mechanizmu różnicowego. Im większa jest wartość współczynnika, tym większy moment tarcia rozwijany jest w mechanizmie. Przeciętne wartości współczynnika dla klasycznych rozwiązań mechanizmu z kołami stożkowymi zawierają się w przedziale 0,08-0,12 (0,14). Większe wartości współczynnika momentu tarcia wewnętrznego są osiągane przez wprowadzenie pewnych modyfikacji mechanizmu z kołami stożkowymi lub przez zastosowanie np. krzywkowego mechanizmu różnicowego. Osiągane wartości współczynnika k są najczęściej większe od 0,3.

Ruszanie z miejsca pojazdem wyposażonym w mechanizm różnicowy o określonej wartości współczynnika k może być w pewnych warunkach utrudnione. Wystarczy, żeby jedno z kół znalazło się na śliskiej nawierzchni, aby kierowca dodając gazu i zamierzając ruszyć doprowadził do zerwania przyczepności: koło to zacznie wirować z dużą prędkością, podczas gdy koło znajdujące się po stronie przeciwnej (np. na asfalcie) pozostanie nieruchome. Widzimy więc, że zdolność ruszania z miejsca jest ograniczona przyczepnością koła stojącego na bardziej śliskiej nawierzchni.

Jeśli oznaczymy współczynniki przyczepności: µ1 - na asfalcie, µ2 - na lodzie, to w przypadku osi sztywnej całkowita siła napędowa przekazywana przez układ napędowy i wynikająca z przyczepności będzie wynosiła:

gdzie:
Zl - nacisk kół strony lewej
Zp - nacisk kół osi prawej
Zakładając, że nacisk na stronę lewą i prawą jest rozłożony tak samo:
Zl = Zl = 0,5 Z1 (Z1 - nacisk kół osi napędzanej (przedniej)
otrzymamy
Xn = (µ1 + µ2) Z1

Jeśli natomiast zastosujemy mechanizm różnicowy, to maksymalny możliwy do rozwinięcia moment napędowy będzie wynikał z warunków przyczepności koła znajdującego się na bardziej śliskiej nawierzchni:

Korzystając z ogólnych zależności opisujących właściwości dynamiczne mechanizmu różnicowego zapiszemy:

a więc:

Większy moment tarcia mechanizmu różnicowego umożliwia rozwinięcie większej siły napędowej.

Zastosowanie takiego mechanizmu różnicowego będzie pożądane dla samochodów, które muszą poruszać się na nawierzchniach o małym współczynniku przyczepności. Jednak podwyższony moment tarcia wiąże się z większymi stratami mocy w układzie przeniesienia napędu.