Mechanizmy różnicowe o ograniczonym poślizgu – szpera płytkowa [część 4]

Szpera płytkowa jest kolejnym rodzajem mechanizmu różnicowego o ograniczonym poślizgu. Budową bardzo przypomina LSD ze sprzęgłem wiskotycznym. Szpery płytkowe zwane też ciernymi są najpopularniejszym rozwiązaniem stosowanym nie tylko w rajdach, ale ogólnie we wszystkich sportach motorowych.

Szpera płytkowa działa na różnicę momentów obrotowych pomiędzy osią przednią i tylną lub między kołami jednej osi. Jej budowę można najprościej przyrównać do otwartego mechanizmu różnicowego z umieszczonymi wewnątrz sprzęgłami w postaci płytek ciernych. Oprócz tego kosz satelitów podzielony jest na dwie części. Po zewnętrznej ich stronie umieszczone są wspomniane płytki cierne, które w odpowiednich okolicznościach są dociskane przez kosze satelitów.

Kosze satelitów mają specjalne wycięcia, tzw. rampy, w których umieszczane są ramiona krzyżaka (kolor czerwony na zdjęciu), na którym zamocowane są cztery satelity. Ich kształt (ramp) jest zaprojektowany w taki sposób, aby podczas ruchu krzyżaka (podczas przyspieszania w kierunku zaznaczonym na żółto, podczas hamowania w kierunku zaznaczonym na zielono), rozpychał on kosze satelitów (kolor niebieski) na boki. Moment obrotowy przekazywany jest na krzyżak, który za pomocą satelitów oraz ich kół zębatych połączony jest z półosiami. Im większy moment obrotowy działa na krzyżak, tym mocniej rozpycha on kosze satelitów, które z większą siłą ściskają płytki cierne (kolor fioletowy), a te zesprzeglają obydwie półosie.

W jaki sposób? Podobnie jak w sprzęgle wiskotycznym. Są dwa zestawy płytek dla każdej z półosi – jeden połączony z obudową (płytki zewnętrzne), drugi z półosią (płytki wewnętrzne). Kosze satelitów działają z taką samą siłą zarówno po jednej jak i drugiej stronie, a więc zestaw płytek dla lewej półosi i prawej półosi jest ściskany tak samo. W ten właśnie sposób zwiększone zostało wewnętrzne tarcie mechanizmu różnicowego.

Szpery płytkowe posiadają także napięcie wstępne, tzw. preload. Jest ono niezbędne, ponieważ w warunkach małej przyczepności szpera zachowywałaby się jak otwarty mechanizm różnicowy. Poruszając się np. na lodzie, moment obrotowy przekazywany na krzyżak byłby za mały, aby ten mógł się zakleszczyć i rozepchnąć kosze satelitów. Regulacja stopnia spięcia wstępnego odbywa się poprzez wymianę płytek na różne grubości oraz sprężyn, które ściskają te płytki z różną siłą. Preload potocznie określa się w kilo, np. 1 kilo oznacza 1 kgm, czyli 10 Nm. Dzięki odpowiednio ukształtowanym rampom stopień spięcia może się dynamicznie zmieniać, ale o tym za chwilę.

Preload jest więc siłą, jaką należy przyłożyć do koła, aby nim obrócić, gdy drugie jest zablokowane. Jeśli więc ustalimy preload 3 kilo (30 Nm), to przy uniesionym w górze jednym kole musielibyśmy przyłożyć do niego siłę ok. 50 Nm (uwzględniają opory tarcia od piasty, klocków hamulcowych itd.) aby obrócić tym kołem. W praktyce, w sportach motorowych stosuje się zazwyczaj preload o wartości z zakresu 40 – 120 Nm. Liczby te wynikają z preferencji kierowców. Preload wpływa oczywiście na to jak prowadzi się samochód. Jedni wolą mocniej spięte szpery, inni nieco mniej.

Rampy określane są parametrem „way”, którego nazwa pochodzi z języka angielskiego. Wyróżniamy trzy główne rodzaje ramp:

• 1-way – spina tylko w jednym kierunku
• 1,5-way – spina mocniej w jednym kierunku, a słabiej w drugim
• 2-way – spina tak samo zarówno przy przyspieszaniu jak i hamowaniu

Rampy służą do ustawiania spięcia szpery podczas przyspieszania oraz hamowania. Powyższe kategorie są dość ogólnikowe, ponieważ informują nas tylko o tym w jaki sposób dana szpera spina. Nie mówi natomiast nic o charakterystyce tego procesu, a na to mają wpływ kąty ramp, które określone są oczywiście w stopniach.

Na powyższym rysunku przedstawione zostały różne kształty ramp w poszczególnych konfiguracjach. Strzałki pokazują kierunek i siłę nacisku krzyżaka na kosze satelitów w zależności od kąta ustawienia ramp. Kolor czerwony odzwierciedla przyspieszanie, natomiast kolorem niebieskim oznaczono hamowanie. Wraz ze wzrostem kąta krzyżak coraz wolniej wsuwa się między obudowy, ale za to głęboko. Mówi się, że spięcie dyferencjału następuje powoli, ale jest mocne. Małe kąty obrazują znowu odwrotną sytuację – spięcie następuje szybko, ale nie jest tak mocne. Należy pamiętać, że strzałki obrazują jedynie sposób rozpychania koszów satelitów, a te zawsze rozchodzą się na boki równolegle.

Dla lepszego zrozumienia tego, jak działają poszczególne konfiguracje spróbujmy rozpatrzeć przykładową sytuację dla szpery 1-way o ustawieniu 55[sup]o[/sup] – 0[sup]o[/sup]. Wiemy już, że spięcie następuje tylko w jednym kierunku – podczas przyspieszania, i ustawiony jest kąt rampy 55[sup]o[/sup], dla hamowania wynosi on 0[sup]o[/sup]. Załóżmy, że samochód porusza się po dobrze przyczepnym asfalcie, gdzie w zakręcie wewnętrzne koło ma większa tendencję do zrywania przyczepności na skutek dużej siły odśrodkowej. Przy ustawieniu 55[sup]o[/sup] – 0[sup]o[/sup] początkowy preload będzie zwiększać się powoli, ale do dużych wartości dzięki czemu łatwiej będzie wyjść z zakrętu z gazem w podłodze. Podczas hamowania istnieje duże ryzyko zablokowania kół. Dzięki temu, że podczas hamowania preload nie będzie się zwiększał, zablokowanie jednego koła nie będzie od razu skutkowało zblokowaniem także i drugiego.

Jak dokonywane są zmiany parametrów szpery w praktyce? Poprzez zmianę położenia krzyżaka w obudowie. Krzyżak może przyjmować różne kształty, może być symetryczny bądź nie. Oprócz tego kosze satelitów również dają kilka możliwości umieszczenia w nich krzyżaka. Na powyższym zdjęciu krzyżak znajduje się w położeniu, w którym rampy są ustawione w pozycji 1,5-way (45[sup]o[/sup] – 20[sup]o[/sup]). Umieszczenie go pozycję wyżej spowoduje zmiany ustawienia na 1-way (55[sup]o[/sup] – 0[sup]o[/sup]), natomiast o pozycję niżej na 1,5-way (60[sup]o[/sup] – 45[sup]o[/sup]). Należy zwrócić uwagę, że w przypadku tej drugiej operacji wymagane jest obrócenie krzyżaka o 180[sup]o[/sup].

Szpery płytkowe wymagają okresowych przeglądów. Używane w sporcie doglądane są co kilkaset kilometrów. Im większy preload tym szybsze ich zużycie. To zależy także od ilości zastosowanych płytek ciernych. To samo obciążenie działające na mniejszą liczbę płytek zużyje je szybciej. Najpopularniejszym producentem szper płytkowych stosowanych w sportach motorowych jest firma Cusco, która stosuje napięcia wstępne rzędu 7-9 kilo. Te wartości bywają oczywiście zmieniane przez kierowców przy rozkręceniu szpery tuż po wyjęciu jej z pudełka. Bezwzględny przegląd jest potrzebny także w przypadku przebitej opony czy urwania jednej z półosi. Dzięki szperze możliwe jest dalsze kontynuowanie jazdy jednak jej obciążenie jest znacznie większe.

Zobacz także:

Źródło: Magazyn WRC