Jak działa mechanizm różnicowy?

Mechanizm różnicowy, zwany też nieładnie dyferencjałem, jest urządzeniem niezbędnym w każdym samochodzie. Umożliwia on przekazywanie momentu napędowego na oba koła jednej osi w ten sposób, że bez przerywania ciągłości napędu mogą się one obracać z różnymi prędkościami. Każdy może to zaobserwować we własnym aucie - wystarczy podnieść oś napędzaną i ręcznie obrócić jedno z kół.

Jeżeli pozostawimy włączony bieg, czyli zablokujemy przekładnię główną od strony silnika, wtedy drugie koło obróci się swobodnie w przeciwną stronę. Tak właśnie działa tzw. otwarty mechanizm różnicowy. Niekorzystny efekt tego rozwiązania można zauważyć w czasie jazdy, np. gdy jedno z kół napędzanych znajdzie się na bardzo śliskiej nawierzchni lub w terenie uniesie się i straci kontakt z podłożem. Zacznie się ono wtedy obracać nie przekazując żadnego momentu napędowego. Drugie koło tej samej osi, mimo że stojące na przyczepnym podłożu, także nie przekaże wtedy praktycznie żadnego napędu, a dokładniej moment napędowy równał się będzie niewielkim oporom wewnętrznym zazębień mechanizmu różnicowego. Jednak bez tego mechanizmu jeździć nie można, gdyż na łuku każde z kół pokonuje inną drogę. Gdyby sztywno połączyć koła napędzane, przynajmniej jedno z nich musiałoby znajdować się w poślizgu, co byłoby szkodliwe szczególnie na drodze o dobrej przyczepności.  

Problem utraty napędu na nawierzchniach o nierównej przyczepności lub w sytuacji, gdy jedno z kół nie styka się z nawierzchnią, rozwiązać można umieszczając w mechanizmie różnicowym blokadę - urządzenie łączące "na sztywno" obie wyjściowe półosie. Stosuje się je jednak jedynie w autach o zaawansowanych własnościach terenowych. Sztywna blokada wymaga obsługi - należy włączać ją w odpowiednim momencie, a potem nie wolno zapomnieć wyłączeniu po wjechaniu np. na równy asfalt. Rozwiązaniem uniwersalnym są natomiast mechanizmy różnicowe o zwiększonym tarciu, zwane z angielska "LSD" (limited slip differential) lub z niemiecka "szperami" (sperrdifferential).

Urządzenie takie jest pewnego rodzaju sprzęgłem ciernym, zabudowanym wewnątrz mechanizmu różnicowego i łączącym oba wały wyjściowe (np. półosie). Istnieje wiele rozwiązań "hamulców" dyferencjałów o zwiększonym tarciu. W swej tradycyjnej formie jest to sprzęgło wielopłytkowe, którego płytki cierne związane są z obudową mechanizmu oraz z jego kołami koronowymi lub półosiami.

Siła docisku płytek pochodzić może od wstępnie napiętych sprężyn, wykorzystać też można siły wewnętrzne zazębień mechanizmu różnicowego. Pozwala to tworzyć różne charakterystyki tarcia (a więc i przekazywania momentu napędowego przez obciążone koło). Zwykle urządzenia tego typu dostarczają tym więcej momentu napędowego, im więcej go dostają od wału wejściowego (od silnika). Podobnie działają ślimakowe mechanizmy różnicowe, a szczególnie ich specjalna odmiana, Torsen, który wykorzystuje zjawisko występujące w zazębieniu ślimakowym: przekazywanie momentu w jedną stronę wytwarza w nim minimalne tarcie, a w przeciwną - bardzo duże. Mechanizm ów przekazuje kilkukrotnie większy moment napędowy na koło obciążone, niż na koło które nie ma żadnego oporu.

Całkiem inną charakterystykę mają mechanizmy różnicowe ze zwiększonym tarciem z zabudowanym wewnątrz sprzęgłem wiskotycznym (lepkościowym). W tym przypadku moment napędowy na kole obciążonym pojawi się dopiero wtedy, gdy przeciwne koło zacznie się zdecydowanie obracać. Moment ten wzrastać będzie wraz ze wzrostem różnicy ich prędkości obrotowych. Kolejne rozwiązania dyferencjałów tego typu wykorzystują wewnętrzne mechanizmy krzywkowe, zawierają urządzenia hydrauliczne generujące siłę docisku elementów ciernych, albo wspomagają się hamulcami, przyblokowującymi zbyt swobodnie obracające się koła. W każdym przypadku służy to poprawieniu trakcji samochodu w trudnych, zmiennych warunkach drogowych, lub podczas jazdy sportowej.

Interesująca jest kwestia, ile mechanizmów różnicowych powinno znajdować się w samochodzie? W samochodzie z napędem jednej osi potrzebny jest oczywiście tylko jeden dyferencjał. Natomiast w aucie z napędem czterech kół stosuje się dwa lub trzy mechanizmy różnicowe. Dwa znajdują się w w osiach napędowych, a ten trzeci, zwany międzyosiowym, potrzebny jest wtedy gdy auto ma stały, nie odłączany napęd dwu osi, a ma być używane także na nawierzchniach o dobrej przyczepności. Potrzebny jest on dlatego, że każde koło czterokołowego samochodu jadącego po łuku, obraca się z inną prędkością. W takich samochodach dla poprawy trakcji mechanizm o zwiększonym tarciu stosuje się właśnie w dyferencjale międzyosiowym a także czasami w tylnym, natomiast bardzo rzadko w przednim - najczęściej tylko w zastosowaniach sportowych. 

Istnieją natomiast samochody z napędem czterech kół, przeznaczone głównie do jazdy szosowej, które nie mają centralnego mechanizmu różnicowego i działają całkiem sprawnie. Gdzie leży tajemnica?

Chodzi o to, ze niezależnie od nazwy handlowej i zapewnień sprzedawców, są to auta nie ze stałym, a z dołączanym napędem 4x4. Czyli zasadniczo używają napędu jednej osi (zwykle przedniej, rzadziej tylnej), a dopiero gdy np. system elektroniczny wykryje poślizg kół napędzanych, "dołączają" chwilowo napęd tej drugiej osi. Służy do tego zazwyczaj wyspecjalizowane sprzęgło wielopłytkowe lub rzadziej wiskotyczne, a sterowanie całego procesu odbywa się automatycznie. Zaletą tego rozwiązania jest stosunkowo niski koszt i masa urządzenia międzyosiowego, a także ograniczenie strat mechanicznych w napędzie, wtedy gdy praca 4x4 jest zbędna. Wada, to jednak zawsze niepłynne i choćby minimalnie opóźnione przechodzenie z napędu 4x2 na 4x4. Mimo to dołączane napędy 4x4 powoli wypierają te prawdziwe, w pełni stałe w większości zastosowań prócz aut rzeczywiście terenowych. Wśród samochodów szosowych przy stałym napędzie 4x4 trwają jeszcze tylko Subaru, Audi i Mercedes.