Napędy 4x4 (II)

16 maja 2012 10:56 2012 Wersja do druku

Auta 4x4 z automatycznie dołączanym tylnym napędem wypierają z rynku klasyczne auta 4x4 ze skrzynią rozdzielczą i reduktorem. Zmiany te wymusza potrzeba dążenia do niższej masy aut, tańszej produkcji oraz rosnący popyt. Dzisiaj postaram przybliżyć się popularne rozwiązania stosowane obecnie oraz omówić wady i zalety napędu 4x4.



Idealny napęd 4x4 nie istnieje. Zaletą jednych są prostota, niska masa i niska cena, inne są skomplikowane i drogie, za to dużo sprawniejsze. Jedne dobrze spisują się w ciężkich autach terenowych, inne pasują do samochodów rekreacyjnych o sportowym charakterze. Jeszcze inne cechują się wyjątkową uniwersalnością i można je spotkać w autach o różnym przeznaczeniu. W kręgach leśników najwyżej ceniony jest oczywiście centralny mechanizm różnicowy z reduktorem lub dołączany przedni napęd z reduktorem. Ale i one mają swoje wady. Pewne jest jedno – napęd 4x4, chociaż nieco cięższy, droższy i mniej ekonomiczny, w każdej postaci pomaga zapanować kierowcy nad pojazdem tym lepiej, im bardziej warunki odbiegają od optymalnych. Samochody wyposażone w układ napędowy 4x4 to specyficzna grupa pojazdów, których zalety docenia duża grupa kierowców, w tym leśnicy. Dla użytkowników chcących poruszać się swoimi pojazdami po drogach nieutwardzonych, w ciężkim terenie i po lesie, zalet napędu wszystkich kół nie trzeba reklamować. Jednak od dłuższego czasu na rynku oferowana jest duża ilość modeli aut 4x4 w pełni szosowych, które nie nadają się do jazdy terenowej. Część kierowców nie zdaje sobie sprawy z korzyści używania takich samochodów, ale również nie wiedzą o niedogodnościach.

Automatycznie dołączany napęd tylnej osi

To stosunkowo proste w budowie rozwiązanie jest domeną małych samochodów osobowych i rekreacyjno-sportowych nazywanych obecnie SUV. Pierwszym automatycznie uruchamianym układem napędowym jest ten wykorzystujący sprzęgło wiskotyczne. Prekursorem był napęd Syncro stosowany w VW. Później pojawiły się układy napędowe, w których załączanie drugiego napędu odbywa się za pomocą prądu i elektromagnesu. Poddając analizie rozwój układów napędowych 4x4, można zauważyć, że zastosowanie w nich sprzęgieł wiskotycznych przyczyniło się do rozwoju i popularyzacji samochodów 4x4. Prosta konstrukcja tego typu napędu i co za tym idzie niska cena spowodowała, że napędy 4x4 zaczęły być stosowane zarówno w pojazdach terenowych czy sportowych, jak i w małych samochodach osobowych i vanach. Atutem automatycznie sprzęgających się układów 4x4 jest bez wątpienia niski nakład kosztów produkcji i łatwość zastosowania takiego układu w każdego typu pojazdach. Auto z takim rodzajem napędu będzie lepiej prowadzić się w zakrętach oraz podczas pokonywania nieutwardzonych dróg niż pojazd z napędem na jedną oś. Jednocześnie zapewnia to wyższy poziom bezpieczeństwa. Na tle innych układów napędowych rozwiązanie to posiada jednak również wiele wad. Przede wszystkim jego działanie jest zbyt wolne, choć napędy tego typu uzbrojone w elektronikę stają się coraz skuteczniejsze. Napęd na tylną oś pojazdu załącza się dopiero po wystąpieniu uślizgu którejś z osi. W niektórych sytuacjach może to skutkować nie kontrolowanym poślizgiem i trudnością utrzymania toru jazdy. Samochody ze sprzęgłem wiskotycznym nie sprawdzą się również w trudnym terenie. Długotrwałe i duże różnice prędkości obu osi, występujące np. podczas próby pokonania przeszkody błotnej, mogą skutkować przegrzaniem się oleju w sprzęgle i utratą napędu 4x4.

Rodzaje sprzęgieł wielopłytkowych

Wiskotyczne – najczęściej stosowane rozwiązanie ze względu na niskie koszty i prostotę budowy. Wielopłytkowe sprzęgło lepkościowe wypełnione gęstym olejem przenosi moment obrotowy na drugą oś automatycznie, ale dopiero przy sporej różnicy prędkości obrotowych przednich i tylnych kół. Z racji ograniczonej wytrzymałości raczej nie montuje się go w autach dużych i ciężkich, z silnikami o pokaźnej mocy.
Elektromagnetyczne – wielopłytkowy mechanizm działa na zasadzie elektromagnetycznej. Załącza się wówczas, gdy powstaje różnica obrotów między przednimi i tylnymi kołami. Sprzęgło można zablokować mechanizmem krzywkowym w proporcji 50-50%.
Elektromechaniczne – system stosowany m.in.przez Fiata i Suzuki. Sterownik z mikroprocesorem steruje sprzęgłem na podstawie danych z czujników śledzących ruch samochodu.Sprzęgło tego typu może przenosić duże obciążenia, a precyzyjne sterowanie pozwala na osiągnięcie dużej prędkości działania. W BMW (system xDrive) elektronika otrzymuje dodatkowe dane z ESP, a układ hamulcowy może blokować mechanizmy różnicowe obu osi.

Podsumowanie wad i zalet napędu 4x4

Zalety:
+Lepsza stabilność podczas pokonywania zakrętów, szybko wykonywanych manewrów oraz jazdy na wprost.
Jest to podstawowa i fundamentalna zaleta 4x4 (z wyłączeniem napędu 4x4 bez centralnego mechanizmu różnicowego). Każde z kół pojazdu dysponuje ograniczonym zapasem przyczepności, a więc może przenieść na styku opony z drogą pewną określoną siłę, której użyjemy do hamowania, przyspieszania lub skręcania. Jednak często przyczepność opony wykorzystujemy do dwóch manewrów naraz, np. przyspieszania i skręcania. Ponieważ w trakcie skręcania z dużą prędkością pojazdu wykorzystujemy całą przyczepność przednich kół, to na przekazanie siły napędowej przez te same koła nie będzie zapasu przyczepności. Z taką sytuacją mamy do czynienia w pojazdach przednionapędowych. W pojazdach AWD, w związku z tym, że wykorzystujemy w przybliżeniu tylko 25% przyczepności opony na realizowanie napędu samochodu, na manewr skręcania zostaje nam więcej zapasu. Podobną sytuację mamy podczas hamowania silnikiem. Moment hamujący rozkładany jest na cztery, a nie tylko na dwa koła, więc hamowanie silnikiem odbywa się płynniej i bardziej stabilnie. To zjawisko wyraźnie odczujemy podczas zwalniania w zakręcie.
+Lepsza zdolność poruszania się po nawierzchni o niskim współczynniku przyczepności.
+Każdy pojazd z napędem czterech kół będzie osiągał lepszą trakcję na nawierzchniach o niskim współczynniku przyczepności aniżeli jakiekolwiek pojazd z napędem jednej osi. Uwarunkowane jest to lepszym stosunkiem siły napędowej do uzyskanej przyczepności. Innymi słowy w samochodach 4x4 wykorzystywana jest przyczepność wszystkich kół, ponieważ do wszystkich kół doprowadzana jest siła napędowa, która dzielona jest na cztery koła, a nie tylko na dwa.
+Lepsza zdolność pokonywania wzniesień.
+Napęd 4x4 jest nieoceniony w sytuacjach, gdy samochód musi pokonać wzniesienie o trudnej nawierzchni (piasek, błoto, śnieg czy lód). Jest to efekt dobrze dociążonej osi napędowej tylnej podczas jazdy pod górkę i wspomagającej jej osi napędowej przedniej.Lepsza zdolność poruszania się po nierównych drogach.
+Tą cecha jest szczególnie istotna dla pojazdów „uterenowionych” typu SUV i Crossover oraz pojazdów typowo terenowych.

Wady:
-Bardziej skomplikowana konstrukcja.
W stosunku do samochodów jednonapędowych układ 4x4 jest rozbudowany o takie elementy, jak: dodatkowy most i wał napędowy, skrzynia rozdzielcza, półosie napędowe. Wiąże się to ze zwiększeniem masy pojazdu i zmniejszeniem przestrzeni w środku pojazdu.
-Zwiększenie hałasu i ewentualnych wibracji.
Dodatkowe podzespoły wykonujące ruch obrotowy w układzie napędowym są źródłem hałasu i wibracji.
-Mniejsza sprawność układu.
Większa ilość napędzanych podzespołów powoduje większe straty mocy i w efekcie mniejszą siłę napędową uzyskaną na kołach.
-Zwiększone prawdopodobieństwo awarii i większe koszty serwisowania.
Większa liczba elementów w układzie napędowym zwiększa liczbę potencjalnych awarii układu napędowego oraz podnosi koszty serwisowania samochodu. Zakres przeglądów okresowych powiększony jest np. o wymianę olejów przekładniowych w mostach i skrzyni rozdzielczej.
-Podwyższenie zużycia paliwa.
Większa liczba elementów, które silnik musi wprowadzić w ruch oraz opory ruchu poszczególnych części w układzie napędowych owocuje większym zużyciem paliwa. W pojazdach 4x4 często stosowane są silniki o większej pojemności skokowej i mocy aniżeli w pojazdach napędem jednej osi.
-Wyższa cena pojazdu.
W związku z tym, że konstrukcja samochodu 4x4 jest bardziej skomplikowana niż FWD lub AWD, jego cena jest odpowiednio wyższa. O wysokiej cenie aut 4x4 decyduje również ogólna opinia o większym prestiżu takich samochodów.

Centralne mechanizmy różnicowe nowego typu

Super Handling AWD – powstał przy okazji produkcji Hondy Legend. Składa się z zestawu trzech przekładni planetarnych ze sprzęgłami przy tylnej osi. Pierwsza to przyspieszacz – przejmuje moment obrotowy od silnika i rozdziela go na oba koła tylnej osi. Tam moment trafia na kolejne przekładnie. SH bardzo dobrze spisuje się przy ostrej, dynamicznej jeździe, ale jest dość ciężki.
4Matic – Mercedes Benz korzysta z trzech mechanizmów różnicowych. Koła tylne otrzymują 55% momentu obrotowego, przednie 44%. Funkcję blokad pełnią hamulce. Koła, które obracają się zbyt szybko, są hamowane. W ciężkim terenie tarcze, klocki i piasty mogą się przegrzewać.
Mechanizm Thorsena – rodzaj przekładni wyposażonej w trzy pary ślimakowych kół zębatych, która automatycznie rozdziela moment obrotowy między osiami. Takie rozwiązanie stosuje między innymi Alfa Romeo, Subaru i Audi.
Układy mieszane – Subaru specjalizuje się w symetrycznych układach napędowych, w których zarówno przednia, jak i tylna oś otrzymuje 50% momentu napędowego. Przykładem może być centralny mechanizm różnicowy modelu WRX STI, dodatkowo rozbudowany o przekładnię planetarną oraz dwa wielopłytkowe sprzęgła cierne spełniające funkcję blokad. Jedno z nich uruchamiane jest mechanicznie (krzywkowo), drugie – elektromagnetycznie. Kierowca decyduje o sile działania blokad.
Haldex – najłatwiej spotkać w autach marki Volvo oraz różnych modelach koncernu Volkswagen. Dobra relacja między sprawnością działania, ceną i masą. To rodzaj pompy krzywkowej na wale osi napędzanej. Moment obrotowy prowadzony do drugiej osi przenoszony był z obudowy pompy. W drugiej generacji zwiększono prędkość działania. Upustowy zawór liniowy zastąpiono elektromagnetycznym zaworem proporcjonalnym. Napęd na drugą oś wciąż przekazywany był dopiero przy zdecydowanej różnicy obrotów kół przedniej i tylnej osi. Haldex trzeciej generacji zyskał jeszcze na prędkości działania. Zastosowano dodatkową pompę utrzymującą wstępne ciśnienie w układzie hydraulicznym.
W czwartej generacji zrezygnowano z pompy krzywkowej, zastępując ją pompą zewnętrzną zasilającą wstępnie układ hydrauliczny, specjalny akumulator ciśnienia utrzymuje system w ciągłej gotowości. W normalnych warunkach drogowych, gdy nie ma poślizgu kół, napędzana jest tylko jedna oś, a zatem oszczędza się paliwo. Haldex może też pełnić funkcję międzyosiowego mechanizmu różnicowego.

Pozdrawiam terenowo.

Sebastian Kołacz

Kolejny artykuł: Suzuki Jimny – godny następca Samuraia? w numerze 11/2012