Osoby, które interesują się rajdami samochodowymi, zapewne niejednokrotnie słyszały o szperze. Dzięki temu mechanizmowi, sportowe samochody są w stanie poradzić sobie lepiej na trudnych nawierzchniach niż ich cywilne odpowiedniki. W skrócie i prostych słowach omówimy, czym jest i jak działa szpera oraz jakie są różnice między szperą mechaniczną a elektroniczną.
Technicznie rzecz biorąc, szpera jest rodzajem mechanizmu różnicowego (dyferencjału), charakteryzującego się większym wewnętrznym tarciem, co przekłada się na ograniczenie poślizgu w porównaniu z tradycyjnym mechanizmem. Jej głównym zadaniem jest równomierne przekazywanie momentu obrotowego na koła.
Co w praktyce powoduje szpera?
Aby zrozumieć działanie szpery, warto spojrzeć na standardowy układ różnicowy stosowany w cywilnych pojazdach. Taki mechanizm rozdziela moment obrotowy w taki sposób, aby większa część była przekazywana na koło o mniejszym oporze. Moment obrotowy, który jest dostępny, nie jest równy maksymalnej wartości generowanej przez silnik, ale jedynie taki, jaki jest potrzebny w danym momencie. W codziennej jeździe taki układ sprawdza się dobrze. Jednak, gdy jedno z kół napędowych na chwilę straci przyczepność, na przykład jadąc po nierównościach terenu, otrzyma ono większy moment obrotowy niż koło przylegające do nawierzchni. W niektórych sytuacjach taki stan rzeczy jest niepożądany. Szpera z kolei dzięki swojej konstrukcji zapewnia równomierne przekazywanie momentu obrotowego na oba koła, ograniczając poślizg.
Zadaniem szpery jest generowanie odpowiedniego poziomu tarcia wewnętrznego, aby równomiernie przekazywać moment obrotowy na koła. Jest to szczególnie ważne w przypadku sportowych samochodów, które poruszają się po nierównej lub śliskiej nawierzchni. W standardowym mechanizmie różnicowym, gdy jedno koło traci przyczepność, a drugie zachowuje ją, moment przekazywany na koło bez przyczepności jest zbyt wysoki, a na koło z przyczepnością – zbyt niski. W przypadku samochodu wyposażonego w szperę, moment obrotowy jest przekazywany na oba koła, co zapewnia lepszą kontrolę nad pojazdem.
Szpera umożliwia również bardziej efektywne przyspieszanie na nierównej nawierzchni, ponieważ straty momentu na kołach, które znajdują się w powietrzu, są mniej odczuwalne. Szpera odgrywa także ważną rolę podczas skręcania, ponieważ koło znajdujące się bliżej środka okręgu, po którym skręcamy, otrzymuje większą wartość momentu w standardowym mechanizmie różnicowym. W przypadku samochodu ze szperą, moment obrotowy jest równomiernie rozłożony na oba koła, co minimalizuje ryzyko buksowania wewnętrznego koła podczas szybkiej jazdy i utraty kontroli nad pojazdem.
Mimo że samochód wyposażony w szperę ma większą tendencję do wpadania w poślizg, to nie stanowi to problemu dla doświadczonych kierowców rajdowych. Wniosek jest taki, że szpera poprawia trakcję i kontrolę nad pojazdem, co jest szczególnie ważne w przypadku jazdy po nierównej i śliskiej nawierzchni.
Na zakończenie, warto wspomnieć o ciekawostce zwiąanej z pochodzeniem słowa „szpera”. Okazuje się, że jest to polska adaptacja niemieckiego terminu „sperrdifferenzial”. Angielska nazwa tego mechanizmu to skrót LSD, co może kojarzyć się niejednoznacznie.
Obecnie istnieje kilka konstrukcji mechanizmów różnicowych o ograniczonym poślizgu, które określa się mianem „szpery”. Początkowo jednak termin ten odnosił się do mechanizmów płytkowych, które spinają dyferencjał i ograniczają poślizg kół na jednej osi lub obu względem siebie. Z czasem wprowadzono nowe rozwiązania, takie jak sprzęgło wiskotyczne, szpera płytkowa czy popularny torsen, które pozwalają na ograniczenie poślizgu kół i przeniesienie momentu obrotowego.
- Szpera (LSD) to mechanizm różnicowy o ograniczonym poślizgu wewnętrznym, który wykorzystuje sprzęgło płytkowe i ogranicza działanie stożkowego mechanizmu różnicowego.
- Sprzęgło wiskotyczne służy do wyrównywania prędkości obrotowych między dwiema półosiami w mechanizmie różnicowym z napędem na jedną oś lub między osiami w napędzie na cztery koła.
- Szpera płytkowa (cierna) działa na różnicę momentu obrotowego między kołami jednej osi lub między przednią a tylną osią. Konstrukcyjnie jest to podobne rozwiązanie do otwartego mechanizmu różnicowego z wewnętrznymi płytkami ciernymi, podzielonym koszem satelitów, i przypomina szperę LSD ze sprzęgłem wiskotycznym.
- Torsen to najbardziej popularny typ samoblokującego się mechanizmu różnicowego, który służy do rozdzielania momentu obrotowego między przednią a tylną osią lub między kołami w jednej osi w napędzie 4×4.
Elektroniczna szpera działa w sposób zupełnie odmienny od szpery mechanicznej. Przede wszystkim wykorzystuje ona układ hamulcowy pojazdu zamiast bezpośrednio oddziaływać na dyferencjał. Czujniki umieszczone w kołach monitorują moment obrotowy każdego z nich. Jest to stosunkowo tanie rozwiązanie, szczególnie popularne w sportowych wersjach kompaktowych samochodów.
W przypadku utraty przyczepności na którymkolwiek z kół, algorytm opracowany dla elektronicznej szpery włącza hamulec dla odpowiedniego koła, aby uzyskać jak najlepszą przyczepność. Na przykład, podczas szybkiego pokonywania zakrętu, wewnętrzne koło jest odciążone z powodu działania siły odśrodkowej i przesunięcia masy. Elektroniczna szpera ingeruje w układ hamulcowy tego koła, by szybko odzyskało ono przyczepność.
Czy szpera może zastąpić blokadę mechanizmu różnicowego?
W samochodach terenowych często stosuje się szpery (LSD) w tylnym mechanizmie różnicowym w celu poprawienia trakcji na mało przyczepnym podłożu. Niestety żadna szpera nie działa skutecznie, gdy jedno z kół całkowicie traci przyczepność, co często ma miejsce w trudnym terenie. W takiej sytuacji koło o dobrej przyczepności nie otrzymuje wystarczającej siły, aby ruszyć z miejsca. Dlatego tylko pełna blokada dyferencjału zapewnia zdolność do przenoszenia napędu w trudnym terenie i w sytuacji, gdy jedno z kół straci przyczepność.
W przypadku pełnej blokady mechanizmu różnicowego, dyferencjał przestaje działać i obie koła obracają się z tą samą prędkością. Dzięki temu koło o większej przyczepności otrzymuje więcej siły, czyli tyle, ile nie trafia na koło o mniejszej przyczepności. Dzięki temu, gdy jedno koło całkowicie traci przyczepność (otrzymuje moment obrotowy równy 0 Nm), na koło mające przyczepność trafia cały (100%) moment obrotowy, który jest w stanie przenieść. W ten sposób blokada dyferencjału zapewnia znacznie lepszą trakcję w trudnym terenie niż szpera, która działa tylko w pewnym zakresie i nie radzi sobie w skrajnych warunkach.