Każdy, kto zetknął się z tematem rajdów samochodowych na pewno wielokrotnie słyszał o szperze. Dzięki temu mechanizmowi, sportowe auta jeżdżą lepiej od cywilnych w trudnych warunkach nawierzchniowych. W krótki i zwięzły sposób wyjaśniamy, czym jest i jak działa szpera oraz czym różni się szpera mechaniczna od elektronicznej”.
Technicznie, szpera jest rodzajem mechanizmu różnicowego (dyferencjału), który charakteryzuje się większym wewnętrznym tarciem (a więc ograniczonym poślizgiem) niż standardowy mechanizm. Jej zadaniem jest przekazywanie momentu obrotowego na koła w maksymalnie równomiernym stopniu.
Aby wytłumaczyć działanie szpery, najłatwiej odnieść się do standardowego układu różnicowego, obecnego w cywilnych pojazdach. Rozdziela on dostępny moment obrotowy w taki sposób, że jego większa część jest dostarczana na koło stawiające mniejszy opór. Dostępny moment nie jest tożsamy z maksymalną wartością, generowaną przez silnik, a jedynie z taką, która jest w danym momencie potrzebna. W codziennej jeździe takie rozwiązanie sprawdza się dobrze. Jednak, gdy podczas jazdy po nierównościach jedno z kół napędowych na chwilę znajdzie się w powietrzu, otrzyma większy moment niż to, przylegające do nawierzchni. Są sytuacje, w których taki stan rzeczy jest niemile widziany.
Zadaniem szpery jest generowanie tarcia wewnętrznego na takim poziomie, by przekazywać na koła mniej więcej równą wartość momentu obrotowego. Jest to szczególnie potrzebne w autach sportowych, ścigających się na nierównej, bądź śliskiej nawierzchni. Gdy auto ze standardowym dyferencjałem utknie jednym kołem w kałuży błota, nie wyjedzie, ponieważ moment przekazywany na to koło (obracające się bez żadnego oporu w śliskim błocie) będzie wysoki. Drugie koło, które będzie miało przyczepność, nie otrzyma wystarczajaco dużo momentu, by wyciągnąć auto z kałuży. W aucie posiadającym szperę, do drugiego koła trafi więcej momentu i auto bez problemu pojedzie dalej. Szpera, dzięki temu, że generuje opory wewnętrzne, „wymusza” przekazywanie na koła większej wartości momentu, nawet w sytuacji utraty przyczepności przez jedno z nich.
Szpera umożliwia także wydajniejsze rozpędzanie się na nierównej nawierzchni. Straty momentu, które występują, gdy koło znajduje się w powietrzu nie są tak odczuwalne w aucie posiadającym szperę. Istotny jest także udział szpery podczas skręcania – w standardowym mechanizmie różnicowym, koło znajdujące się bliżej środka okręgu, po którym skręcamy otrzymuje większą wartość momentu (gdyż pokonuje krótszą drogę niż koło zewnętrzne). Przy szybkiej jeździe może dojść do buksowania wewnętrznego koła, podczas gdy zewnętrzne będzie stale równo prowadzić się po zewnętrznej. W takiej samej sytuacji, auto ze szperą będzie mieć podobne wartości momentu obrotowego na obu kołach. Dzięki temu nie wytraci prędkości, choć będzie miało wyższą tendencję do wpadnięcia w poślizg. To jednak nie problem dla doświadczonych kierowców rajdowych.
Działanie szpery doskonale ilustruje poniższy film. Jest w języku angielskim, jednak po zapoznaniu się z powyższym wprowadzeniem, bez trudu można zrozumieć prezentowane w nim techniczne zagadnienia.
Na koniec ciekawostka. Skąd wzięła się dziwnie brzmiąca nazwa „szpera”? Otóż jest to polska adaptacja niemieckiego terminu „sperrdifferenzial”. Angielska nazwa to kojarzące się niejednoznacznie LSD – skrót od Limited Slip Differential.
Rodzaje mechanizmów różnicowych o ograniczonym poślizgu – w skrócie
Obecnie mianem szpery można nazwać kilka konstrukcji przeniesienia napędu. Początkowo jednak tym słowem określało się mechanizmy płytkowe spinające dyferencjał, ograniczające poślizg kół na jednej osi lub obu względem siebie. Z czasem pojawiły się nowe rozwiązania pozwalające na ograniczenie poślizgu kół i przeniesienie momentu obrotowego jak sprzęgło wiskotyczne, szpera płytkowa czy legendarny torsen.
- Szpera (LSD) – wyżej wspomniany mechanizm różnicowy o ograniczonym poślizgu wewnętrznym ze sprzęgłem płytkowym, które ogranicza działanie stożkowego mechanizmu różnicowego.
- Sprzęgło wiskotyczne (lepkościowe) – służy do wyrównywania prędkości obrotowych między dwiema półosiami w mechanizmie różnicowym z napędem na jedną oś lub wyrównywania prędkości obrotowych 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. Przypomina szperę LSD ze sprzęgłem wiskotycznym.
- Torsen – służy do rozdzielania momentu obrotowego między przednią a tylną oś lub między koła w jednej osi w napędzie 4×4. Najbardziej popularny typ samoblokującego się mechanizmu różnicowego.
Elektroniczna szpera
Działa w zupełnie inny sposób niż szpera mechaniczna. Przede wszystkim do działania elektronicznej szpery wykorzystywany jest układ hamulcowy pojazdu, a nie bezpośrednio dyferencjał. Czujniki umieszczone w kołach monitorują moment obrotowy każdego z nich. Jest to stosunkowo najtańsze rozwiązanie, stosowane szczególnie w usportowionych wersjach samochodów kompaktowych.
W momencie utraty przyczepności, na którymś z kół w osi, opracowany algorytm przyhamowuje odpowiednie koło, by uzyskać jak najlepszą przyczepność. Przykładowo, gdy podczas szybkiego pokonywania zakrętu wewnętrzne koło jest odciążone na skutek działania siły odśrodkowej i przesunięciu mas, elektroniczna szpera ingeruje w układ hamulcowy tego koła, by odzyskało ono jak najszybciej przyczepność.