Mechanizm różnicowy w samochodach ułatwia prowadzenie i manewrowanie autem. Jednak ma on także pewne wady, które uwidaczniają się w trudnym terenie czy podczas jazdy sportowej. Wówczas działanie dyferencjału może powodować, że zakręty będziesz pokonywać wolniej, trudniej będzie osiągnąć wyższą prędkość na nierównościach lub utkniesz w terenie, gdy jedno z kół straci przyczepność. Właśnie z tego powodu w niektórych pojazdach stosowana jest szpera. Przeczytaj artykuł i dowiedz się jak działa i w jaki sposób pomaga w sporcie samochodowym i szybkiej jeździe.
Mechanizm różnicowy został wynaleziony jeszcze przed powstaniem pierwszego samochodu spalinowego. W 1827 roku we Francji Onésiphore Pecqueur opatentował to urządzenie w niemal takim samym kształcie, jak stosowany jest współcześnie. Było ono przeznaczone do pojazdów drogowych z napędem parowym, stosowanych wtedy już dość powszechnie w przemyśle i transporcie krótkodystansowym.
Pierwsza szpera została opracowana przez firmę ZF na polecenie Ferdynanda Porsche w 1935 roku. Opierała się na dwóch mechanizmach wolnego koła, dzięki ich działaniu moment był przekazywany na koło o większej przyczepności. Pierwotnie urządzenie to trafiło do wyścigowych bolidów Auto Union, jednak powszechne zastosowanie znalazło w wojskowych łazikach używanych przez Niemców w czasie II wojny światowej (Volkswagen Type 82 „Kübelwagen”). Po wojnie szpery pojawiły się najpierw w autach terenowych, a w latach 50. i 60. także w samochodach osobowych z mocnym silnikiem i napędem na tylną oś, by poprawić ich prowadzenie. Od tamtego czasu jest powszechnie stosowana w sporcie samochodowym i popularna wśród miłośników szybkiej jazdy.
Z tego artykułu dowiesz się między innymi:
- Jak działa szpera?
- Jakie zalety i wady ma zamontowanie szpery w samochodzie?
- Jak skonstruowana może być szpera?
- Jak zamontować szperę w samochodzie i jak zaspawać dyfer?
Co to jest szpera i jak działa?
Szpera to potoczna nazwa każdego urządzenia, które ingeruje w rozkład momentu przekazywanego przez mechanizm różnicowy na oś napędową. W ścisłym, technicznym znaczeniu, nazwa ta dotyczy konkretnego rozwiązania technicznego, a dokładnie sprzęgła płytkowego, które za pośrednictwem tarcia pomiędzy jego elementami ogranicza poślizg w dyferencjale. Zajmiemy się jednak zagadnieniem w szerszym znaczeniu, ponieważ bez względu na rozwiązanie, efekt jest bardzo zbliżony.
Działanie mechanizmu różnicowego
Zanim przejdziemy do omawiania działania szpery, warto zacząć od działania konwencjonalnego, czyli otwartego mechanizmu różnicowego. Urządzenie to jest rodzajem przekładni planetarnej, która umieszczona jest pomiędzy przekładnią główną napędu a półosiami napędowymi. Jej zadaniem jest wyrównywanie prędkości obrotowej kół w czasie jazdy w zakręcie.
Gdy samochód pokonuje łuk, koło wewnętrzne ma do przebycia krótszą drogę od koła zewnętrznego. By samochód był stabilny, koło wewnątrz łuku musi obracać się wolniej. Siła odśrodkowa działająca na auto powoduje, że jest ono dociskane do drogi mocniej. Dzięki mechanizmowi różnicowemu otrzymuje ono mniejszą część momentu obrotowego, a co za tym idzie, zwalnia. Koło zewnętrzne obraca się szybciej i dzięki temu auto pokonuje zakręt bez problemu.
Jak działa szpera?
Szpera jest urządzeniem, które do powyższego opisu wprowadza dodatkową siłę. Wywołuje ona to, że koło z większą przyczepnością otrzymuje więcej momentu niż standardowo. Przeważnie w szperach wykorzystuje się siłę tarcia. Dodatkowe sprzęgło umieszczone pomiędzy osią a mechanizmem różnicowym jest dopychane przez sprężynę, tym mocniej, im większa jest różnica momentów pomiędzy kołami.
Pod wpływem siły tarcia opór od strony koła o mniejszej przyczepności rośnie. Zgodnie z zasadą działania mechanizmu różnicowego powoduje to, że na drugie koło kierowany jest większy moment, ponieważ różnica oporu się zmniejsza.
Istnieją także inne rozwiązania mające prowadzić do podobnego zjawiska. Omówimy je w dalszej części tego artykułu. Podstawowa zasada działania pozostaje niezmienna bez względu na konstrukcję szpery.
Podstawowym parametrem szpery jest siła działania, wyrażana w procentach. Na przykład szpera 25 proc. oznacza, że mechanizm różnicowy nastawiony jest na różnicę 25 proc. momentu obrotowego między kołami. Do tej wartości jest spięty, czyli oba koła obracają się z tą samą prędkością. Powyżej niej siły są większe niż tarcie na sprzęgle i mechanizm różnicowy zaczyna działać.
Szpera – co to daje?
Na tym etapie możesz zadać pytanie, czy skoro mechanizm różnicowy jest tak potrzebny w samochodzie, to ograniczanie jego działania ma w ogóle sens? To pytanie jest uzasadnione, ponieważ w większości samochodów faktycznie nie ma takiej potrzeby.
Jednak istnieją sytuacje, w których dyferencjał ma dość spore wady. Gdy jedno koło osi napędowej stoi na lodzie lub zawisło w powietrzu, niemal 100 proc. momentu będzie przeniesione właśnie na nie. Nawet jeżeli drugie koło będzie mieć dobrą przyczepność, samochód nie ruszy. Taka sytuacja dość często może mieć miejsce w czasie jazdy terenowej. Dlatego w samochodach do off-roadu stosuje się najczęściej blokady mechanizmu różnicowego. Jest to szpera 100 proc., która powoduje, że koła jednej osi (albo obu osi w przypadku blokady mechanizmu centralnego) obracają się zawsze z tą samą prędkością. Nawet gdy jedno z kół jest w powietrzu, drugie otrzymuje pełen moment i możliwe jest pokonanie przeszkody.
Blokady są realizowane mechanicznie, przeważnie przez specjalnie skonstruowane bolce, które nie pozwalają na działanie dyferencjału. By je włączyć, konieczne jest zatrzymanie się i rozłączenie napędu (wciśnięcie sprzęgła lub wrzucenie luzu). Jeżeli zamiast blokady w samochodzie zastosowana będzie szpera, nie będzie on tak skutecznie wyjeżdżał z opisanej wyżej sytuacji, jednocześnie jego właściwości terenowe znacząco się poprawią w stosunku do otwartego dyferencjału. Będzie się to działo automatycznie, bez potrzeby włączania dodatkowych mechanizmów.
Drugą sytuacją, w której przydaje się szpera, jest jazda sportowa. Działanie konwencjonalnego dyferencjału powoduje, że w łuku moment obrotowy na kołach jest ograniczony. Ze względu na budowę maksymalny moment na obu kołach będzie taki, jaki może przenieść to o mniejszej przyczepności. Powoduje to, że w zakręcie nie możesz wykorzystać potencjału swojego silnika. Dzięki działaniu szpery, ten stan jest zniwelowany, większa część mocy może trafić na koła w zakręcie.
Wady szpery
W sytuacji opisanej w poprzednim akapicie szpera ma także pewną wadę. W autach z napędem przednim będzie pogłębiać tendencję do podsterowności (wyjeżdżania przodem na zewnętrzną część zakrętu, prostowania go mimo zmiany położenia kierownicy) Tam, gdzie napęd przenoszony jest na tylny most, może prowadzić to do nadsterowności, czyli np. wpadania w poślizg. Nie jest to wadą podczas uprawiania driftingu, gdzie mechanizm różnicowy ze szperą niezwykle ułatwia wykonywanie ewolucji, ale w wyścigach i rajdach samochodowych poślizg zwykle oznacza stratę czasu. Kierowcy muszą nauczyć się kontrolować samochód, który zachowuje się inaczej niż zwykle, by dawała ono wymierne korzyści w sportowej rywalizacji.
Drugą wadą używania szpery jest zwiększone obciążenie elementów układu napędowego. Szpera powoduje zwiększenie naprężeń w moście napędowym, co zmniejsza żywotność łożysk, przegubów napędowych i innych mechanizmów. W przypadku samochodów terenowych z włączoną blokadą mechanizmu jazda po drodze asfaltowej może doprowadzić nawet do całkowitego zniszczenia przekładni głównej i dyferencjału. Przez szperę wywoływany jest także częstszy uślizg jednego z kół, co negatywnie wpływa na żywotność opon.
Szpera w samochodach – rozwiązania techniczne
By wywołać efekt ograniczenia poślizgu mechanizmu różnicowego, można zastosować urządzenia różnego typu. Oprócz sprzęgła ciernego najczęściej stosowanym w autach sportowych, w samochodach montuje się jeszcze inne rozwiązania, które często pozwalają na bardziej płynną regulację siły działania szpery.
Przekładnie o zwiększonym tarciu wewnętrznym
Dość często spotykanym rozwiązaniem w samochodach drogowych jest mechanizm różnicowy o zwiększonym tarciu. Najbardziej znanym z nich jest mechanizm typu Torsen, jednak na rynku znajdują się także inne, o podobnej zasadzie działania.
Szpera tego typu wykorzystuje duże tarcie wewnętrzne, jakie powstaje w przekładniach ślimakowych. Mechanizm różnicowy tego typu może pracować niemal tak jak ten otwarty, zwykle siła działania szpery w normalnie pokonywanym łuku wynosi około 5 proc. Gdy jednak różnica prędkości pomiędzy kołami osi napędowej rośnie, wzrasta też tarcie pomiędzy elementami przekładni. W konsekwencji doprowadzić to może do ich całkowitego zablokowania, w przypadku gdy jedno z kół nie ma w ogóle przyczepności.
Samochody z mechanizmami typu Torsen, z punktu widzenia kierowcy, wyposażone są w szperę o progresywnym działaniu. Tego typu rozwiązanie stosowane jest zarówno w samochodach sportowych, jak i usportowionych (Lamborghini Galardo, Audi RS6, Ford Focus RS, Subaru Impreza WRX STI) oraz w autach terenowych (Toyota Mega Crusier, HMMWV/Hummer H1).
Szpera ze sprzęgłem wiskotycznym
Kolejnym rozwiązaniem, które pozwala na progresywną regulację siły działania szpery, jest sprzęgło wiskotyczne, czyli lepkościowe. Wykorzystuje ono zmianę lepkości olejów silikonowych. W oleju zanurzone są specjalne dyski, podczas jazdy na wprost obie części obracają się z tą samą prędkością, przez co w sprzęgle nie powstaje opór. Mechanizm różnicowy działa więc jako otwarty. Jeżeli prędkość kół różni się od siebie, dyski obracają się także z inną prędkością, wywołując zmiany ciśnienia w komorze sprzęgła. Zmienia się lepkość oleju, co powoduje zmianę rozkładu sił. Sprzęgło zaczyna stawiać opór, hamując szybciej obracające się koło. Tym samym mechanizm różnicowy wyrównuje prędkość obu kół o potrzebną w danej chwili wartość.
Szpery lepkościowe były dość popularne w japońskich samochodach sportowych z lat 80. i 90., można je spotkać na przykład w Nissanie 240SX.
Szpera ze sprzęgłem sterowanym hydraulicznie
Skomplikowanym, ale bardzo precyzyjnym typem szpery, są rozwiązania korzystające z pomp hydraulicznych do sterowania sprzęgłem. Przykładem takiego rozwiązania może być mechanizm różnicowy typu Haldex.
W tym rozwiązaniu każda z półosi połączona jest z pompą hydrauliczną, która steruje sprzęgłem. Gdy obie pompy pracują z tą samą prędkością i generują identyczne ciśnienie, sprzęgło jest rozłączone. W momencie gdy prędkość obrotowa kół się różni, ciśnienie na jednej z pomp rośnie. Powoduje to otwarcie zaworu i załączenie sprzęgła na półosi koła o większej prędkości (czyli mniejszej przyczepności). Pod wpływem działania sprzęgła mechanizm różnicowy zaczyna przekazywać większy moment na koło o lepszej przyczepności.
Chociaż opis jest tutaj stosunkowo prosty, to szpery mają złożoną budowę. Pompa, zawory, przewody i przeważnie mokre sprzęgło wielopłytkowe łącznie powodują wysoki koszt jej montażu. Jednak działanie Haldexu lub podobnej szpery jest najłagodniejsze i najlepiej sprawdza się w codziennej jeździe.
Szpera elektroniczna
Niektóre współczesne samochody wyposażone są w układy elektronicznego sterowania rozkładem momentu. Ich ogólna budowa przypomina szperę cierną, z tym że siła działania sprzęgła regulowana jest przez siłowniki elektryczne, na podstawie danych z systemu ESP.
Czasami tym mianem określa się także systemy kontroli momentu korzystające z hamulców. Nie jest to jednak szpera. Co to jest w takim razie? To element systemu kontroli trakcji, zwykle pozwala na ruszenie z miejsca, gdy koła mają różną przyczepność, jednak nie działa jako szpera w czasie pokonywania zakrętów. To przydatna funkcjonalność, jednak nie ma wiele wspólnego z omawianymi wcześniej rozwiązaniami.
Szpera w aucie – czy można ją zamontować?
Gdy przygotowujesz samochód do sportu, zwykle prędzej czy później zdecydujesz się na zastosowanie szpery. Czy to jednak takie proste i można ją zamontować w każdym pojeździe?
Teoretycznie tak, jednak niekiedy ograniczeniem jest dostępność odpowiednich części. Wiele samochodów o zacięciu sportowym miało możliwość zamówienia fabrycznej szpery. Na przykład w BMW E36 dostępny był mechanizm, w którym zamontowana była cierna szpera 25 proc. W Audi z napędem Quattro często seryjnie stosowano mechanizm Torsena. Do takich samochodów możliwe jest kupienie nowej lub używanej szpery i zamontowanie jej zamiast mechanizmu otwartego.
Drugą grupą pojazdów, które można stosunkowo łatwo wyposażyć w szperę, są auta popularne w sporcie. W takich przypadkach firmy tuningowe zwykle budowały akcesoryjne szpery, niekiedy nawet o regulowanej sile, które pasowały do seryjnych skrzyń biegów. Z tego powodu na rynku wtórnym można znaleźć szperę nawet do dość wiekowych rajdówek, takich jak Seicento Sporting czy Opel Astra F GSI.
Fabryczne szpery cierne można niekiedy modyfikować za pomocą zestawów tuningowych. Zawierają one mocniejsze sprężyny lub odpowiednio spreparowane płytki sprzęgieł, które pozwalają na zwiększenie siły szpery. Niektóre mechanizmy aut drogowych miały siłę 5-10 proc., co pomaga w szybszej jeździe, ale jest niewystarczające w sporcie, gdzie często stosuje się mechanizmy ze szperą ponad 50 proc.. Dlatego modyfikacje mogą być konieczne przy bardziej wymagających startach.
Zaspawany dyfer – budżetowa szpera
Do większości modeli pojazdów szpery są towarem dość rzadkim, były montowane jedynie jako opcja lub produkowane przez małe firmy wykonujące elementy do motosportu. Wyjątkiem są auta, które szperę miały na wyposażeniu seryjnym, takie jak Subaru Impreza WRX STI. Jest to więc rozwiązanie dość kosztowne. Czy można mieć szperę bez wydawania worka pieniędzy? Zapytaliśmy o to eksperta Inter Cars.
„Tak – pod warunkiem, że szykujesz auto do driftu lub wyścigów rallycrossowych. W tych dwóch dyscyplinach dobrze sprawdzi się „zaspawany dyfer”. Jest to rozwiązanie, w którym za pomocą spawania blokuje się na stałe mechanizm różnicowy. Powstaje szpera 100 proc. zapewniająca stałe, równe obroty obu kół.
By to zrobić, należy przyspawać satelity do obudowy dyferencjału, tak by przekładnia główna obracała kołami z równą prędkością. Tego typu konstrukcja nie będzie dobrze sprawować się przy szybkiej jeździe na asfalcie i będzie niezwykle uciążliwa przy manewrowaniu. Jednak na luźnej nawierzchni, gdzie możliwy jest uślizg koła, będzie można za jej pomocą uzyskać dobre wyniki. Dlatego to dobre rozwiązanie do taniej wyścigówki do rallycrossu.
Wyścigi na torach asfaltowych z zaspawanym dyferem mają mało sensu, samochód będzie skrajnie nadsterowny i będzie wpadać w głębokie poślizgi. To, co jest wadą w wyścigach, staje się zaletą w drifcie, gdzie sprawdza się ono niekiedy nawet lepiej od profesjonalnych szper.
Szpera w aucie – czy to ma sens?
Szpera jest rozwiązaniem, które daje korzyści tylko w konkretnych sytuacjach. Jeżeli nie przygotowujesz samochodu do wyprawy terenowej czy sportu, nie ma większego sensu. Jeżeli Twoje auto było fabrycznie wyposażone w szperę, zwykle jest to rozwiązanie dostosowane do użytku cywilnego, o progresywnej sile działania.
Dodatkowo fabryczne szpery montowane są raczej w samochodach sportowych, do których powinni wsiadać wyłącznie kierowcy o określonych umiejętnościach i doświadczeniu. Poradzą sobie oni z nietypowym prowadzeniem auta z mechanizmem różnicowym o ograniczonym poślizgu.
Jeżeli modyfikujesz auto do sportu, to szpera będzie przydatna, chociaż na początku może sprawiać pewne problemy. By zbudować dobre auto do off roadu, driftu, rajdów czy wyścigów, zajrzyj do oferty sklepu Inter Cars. Znajdziesz tam świetne oferty części seryjnych i tuningowych do niemal każdego samochodu. Sprawdź już teraz i spełniaj swoje marzenia.
