Napędy 4x4, jakie są i jak działają?

3 kwietnia 2012 14:40 2012 Wersja do druku

Często użytkujemy auta z napędem 4x4 nie do końca zdając sobie sprawę z rodzaju zastosowanego rozwiązania napędu. W dzisiejszym artykule postaram się omówić dwa podstawowe układy napędu 4x4.



Napęd 4x4 jest znany od ponad stu lat, kiedy konstruowano pierwsze samochody, utwardzone drogi należały do rzadko spotykanych. Po raz pierwszy mechanizm napędu 4x4 opatentowany został w USA w 1898 r. przez Roberta E. Twyforda. Przekazanie napędu na przednią oś odbywało się poprzez system przekładni zębatych. Napęd 4x4 ze względu na stosunkowo wysoki koszt produkcji nie stał się zbyt popularny w poja-zdach cywilnych. Przez pierwsze pół wieku używano go wyłącznie w pojazdach militarnych w celu podniesienia sprawności poruszania się w trudnym terenie. Gwałtowny rozwój aut 4x4 zapoczątkował produkowany w USA w czasie II wojny światowej dla potrzeb koalicji sławny Willis oraz jego radziecki „kuzyn” GAZ 67 popularnie zwany „Czapajewem”. W latach powojennych kontynuacja produkcji samochodów terenowych połączona z wytwarzaniem coraz sprawniejszych modeli sprawiła, że tym typem samochodów zainteresowała się również ludność cywilna. Zainteresowanie to sprawiło, że samochody terenowe zaczęły nabierać innego charakteru, zmieniał się kształt i wygląd, bowiem użytkownicy cywilni nie chcieli spartańsko wyposażonych samochodów, typowych dla wojska. Pojawiło się zapotrzebowanie na auta 4x4 przestronne, nowocześnie urządzone z tapicerką i pojemnymi bagażnikami. Wnętrza samochodów terenowych zaczęły z czasem przypominać te z samochodów osobowych zapewniając jednocześnie wyższą sprawność terenową.

Układ z ręcznie włączanym napędem przedniej osi – bez międzyosiowego mechanizmu różnicowego

Dołączany napęd 4x4 stosowany był najwcześ-niej, wykorzystywany jest do dziś w pojazdach przeznaczonych do jazdy terenowej. Są nimi najczęściej samochody terenowe o prostej konstrukcji oraz tzw. pickupy służące do przewozu ładunków. Zaletą takiego rozwiązania jest prostota budowy i co za tym idzie wysoki poziom bezawaryjności. Prosta konstrukcja pozwala również na zastosowanie bardziej wytrzymałych elementów takich jak koła zębate, łożyska i wielowypusty. Brak występowania międzyosiowego mechanizmu różnicowego w pojeździe używanym do jazdy terenowej może być zarówno zaletą jak i wadą. Podczas jazdy z dołączonym przednim napędem, układ jest zblokowany, więc bez względu na poślizg moment obrotowy między osie zawsze dzielony jest w stosunku 50/50. Taka sytuacja jest pożądana w jeździe terenowej, ponieważ nie jest wymagana dodatkowa blokada. Taki rodzaj napędu doceniają w szczególności kierowcy często użytkujący swoje pojazdy w trudnych warunkach terenowych. Ten rodzaj napędu wykorzystywany jest w samochodach terenowych użytkowanych w większości w warunkach terenowych, które w przeciwień-stwie do pojazdów SUV rzadziej eksploatowane są na drogach asfaltowych. Użytkownicy to służby mundurowe takie jak: wojsko, służby leśne, straż pożarna, straż graniczna, policja, itp. Pojazdy tego typu wykorzystywane są również przez uczestników rajdów terenowych. Najpopularniejszymi samochodami wykorzystujący ten prosty układ napędowy są:

• Jeep Willys/CJ/TJ/YJ/Wrangler,

• Uaz/Gaz,

• Opel Frontera/Monterey ,

• Suzuki Samurai/Jimny/Vitara,,

• Nissan Terrano/Pickup/Patrol,

• Toyota Hilux/Land Cruiser(Bj,Lj,Kzj),

• Mecedes/Styer Puch (model 460 I 461),

• Mitsubishi Pajero/L200 (starsze modele bez skrzyni SuperSelect).

Warto zaznaczyć, że większość z wymienionych samochodów jest w ciągłej produkcji, co potwierdza przydatność tego typu rozwiązania. Wszystkie te pojazdy charakteryzuje prosta i tańsza w produkcji budowa układu przeniesienia napędu.
Podstawową wadą tego typu rozwiązania jest brak możliwości jazdy z włączonym napędem 4x4 po nawierzchni o dobrej przyczepności. Spowodowane jest to brakiem centralnego mechanizmu międzyosiowego w układzie napędowym. Brak możliwości różnicowania prędkości obrotowej miedzy osie powoduje, że podczas jazdy po łuku np. po asfalcie, powstają duże naprężenia w układzie przeniesienia napędu, które przyczyniają się do przyspieszonego niszczenia opon oraz wszystkich elementów układu napędowego. Taka jazda z włączonym napędem 4x4 może doprowadzić nawet do uszkodzenia niektórych podzespołów napędowych. Kolejną istotną wadą tego typu rozwiązań jest wysoki poziom generowanego hałasu i wibracji. Wynika to z zastosowania masywnych podzespołów w układzie napędowym.
Reasumując: układ napędowy z ręcznie włączanym napędem przedniej osi to rozwiązanie zadające egzamin w trudnym terenie dla użytkowników, których priorytetem jest funkcjonalność pojazdu w trudnych warunkach terenowych. Dla kierowców, którzy poruszają się głównie po drogach utwardzonych będzie on uciążliwy i mało funkcjonalny. Obserwując auta leśników, można stwierdzić, że jest to najczęściej spotykany rodzaj napędu 4x4 w naszych lasach. Wpływ na to ma charakterystyka użytkowania naszych aut oraz zazwyczaj ograniczone środki pieniężne przeznaczone na zakup naszej wymarzonej terenówki.

Stały napęd z centralnym mechanizmem różnicowym

Za stały napęd 4x4, inaczej zwanym permanentnym, uważa się układ napędowy, który dostarcza w sposób ciągły siłę napędową do wszystkich kół pojazdu. Stały napęd wszystkich kół to domena samochodów klasy wyższej, sportowych, sportowo-terenowych SUV i zawansowanych technicznie pojazdów terenowych. Jego największą zaletą jest to, że napęd do wszystkich kół przekazywany jest w sposób ciągły i nie trzeba go włączać i rozłączać. Podczas trudnych warunków atmosferycznych (śnieg, lód, deszcz) zwiększa się w znacznym stopniu poziom bezpieczeństwa czynnego. Samochód znacznie później wpada w poślizg, a gdy już to nastąpi, łatwiej jest go z niego wyprowadzić. Samochód lepiej zachowuje się w szybko pokonywanych zakrętach. Ruszanie i przyśpieszanie jest płynniejsze niż w pojazdach jednonapędowych. Z tej koncepcji korzystają tacy znani producenci jak Mercedes-Benz, Porsche, Subaru, Mitsubishi (równolegle w niektórych modelach stosowany jest dołączany przedni napęd), Toyota, Land Rover. Z drugiej strony jednym z pierwszych aut produkowanych masowo wykorzystujących ten sposób przeniesienia napędu byłą Lada Niva. Podstawowym elementem stałego napędu na obie osie jest skrzynia rozdzielcza z centralnym mechanizmem różnicowym w większości „prawdziwych” terenówek uzupełniona skrzynią redukcyjną. Rozkład napędu na dwie osie realizowany jest przez przekładnią stożkową, planetarną lub Torsen. W zależności od budowy moment obrotowy może być dzielony między osie w określonym stosunku. Centralne mechanizmy różnicowe stosowane w skrzynkach rozdzielczych są podobne do tych stosowanych w mostach napę-dowych. Ich rola jest podobna z tym, że różnicują siłę napędową między wały napędowe a nie między półosie napędowe. Stały napęd na wszystkie koła nie miałby sensu bez blokady miedzyosiowego mechanizmu różnicowego. W momencie, gdy któraś z napędzanych osi traci przyczepność i zaczyna się szybciej obracać, skrzynia rozdzielcza wysyła do niej większość momentu obrotowego. W takiej sytuacji stały napęd staje się bezużyteczny. Aby zapobiec takim sytuacjom stosuje się blokady centralnych mechanizmów osiowych (stuprocentowe lub aktywne). Blokady 100% włączane ręcznie stosowne są w „terenówkach” Kierowca uruchamia dźwignią mechanizm blokujący w postaci tulei blokującej i otrzymuje sztywny napęd na dwie osie, taki jak w przypadku pojazdów omawianych wcześniej, system tan stosowany jest m.in. w Lada Niva, Mercedes G 463, Toyota. Takie rozwiązanie nie sprawdza się podczas podróżowania drogami asfaltowymi. W związku z tym konstruktorzy stosują różnego rodzaju blokady o działaniu aktywnym. Często wykorzystywane są sprzęgła wiskotyczne i wielopłytkowe.
Podstawową wadą takiego rozwiązania jest podwyższone zużycie paliwa. Napęd który jest dołączany ręcznie ma tę zaletę, że w momencie gdy pojazd wjeżdża na asfalt napęd musi być rozłączony i zużycie paliwa znacznie maleje. W napędzie stałym niestety nie ma takiej możliwości. Kolejną wadą może być także bardziej skomplikowana konstrukcja i co za tym idzie większa liczba podzespołów do serwisowania generująca wyższy koszt produkcji.

Podsumowanie

Z opisanych powyżej rodzajów napędów w autach używanych w lesie najczęściej spotykamy napęd 4x4 z dołączanym napędem przednim. Wynika to głównie z racji wieku (kryterium – cena), a co za tym idzie, zastosowanych w tych autach technologii. Należy wspomnieć o ciekawym połączeniu w/w rodzajów napędów stosowanym z powodzeniem w autach np. Mitsubishi. System ten (Super Select) ma do wyboru ustawienia wybierane za pośrednictwem skrzyni rozdzielczej: 2H, 4H, 4HLC, 4LLC. Pierwszy tryb zapewnia przekazywanie napędu tylko na oś tylną, po włączeniu ustawienia 4H napęd zaczyna być przekazywany na 4 koła w proporcjach od 33:67 nawet do 50:50. 4HLC to ustawienie napędu 4x4 z blokadą międzyosiowego mechanizmu różnicowego – przydatne w warunkach ograniczonej przyczepności na grząskim gruncie. Jeśli to ustawienie nie pomoże wyjść z opresji, jest jeszcze tryb 4LLC, który załącza reduktor wraz blokadą centralnego mechanizmu różnicowego. Można powiedzieć, że jest to „złoty środek” dla potrzeb leśników używających jednego auta dla potrzeb służbowych i prywatnych.

Pozdrawiam terenowo.

Sebastian Kołacz

Kolejny artykuł nt. napędów 4x4 w numerze 9/2012