Napęd na cztery

Napęd na cztery
Dziś, kiedy na topie są SUV-y i crossovery, szybko rośnie popularność napędu na cztery koła. Ma on wiele zalet i mało wad, przede wszystkim zwiększa komfort i bezpieczeństwo. Taki napęd może być realizowany na kilka sposobów – inaczej działa w terenówce, a inaczej w zwykłym aucie.

Pierwsza konstrukcja tego typu pojawiła się już w 1824 r., kiedy Timothy Burstill i John Hill zbudowali pojazd parowy z napędem na obie osie. Niestety, ich prototyp trzy lata później eksplodował…

Lohner-Porsche

Kolejnym przełomem były projekty genialnego konstruktora - Ferdinanda Porsche, który w 1900 r. dla firmy Jakob Lohner & Co zaprojektował prototyp auta z silnikami w piastach kół, a później auto z czterema silnikami elektrycznymi i silnikiem spalinowym (czyli była to konstrukcja podobna do tych stosowanych dzisiaj w hybrydach i autach elektrycznych).

Pierwszym samochodem z prawdziwego zdarzenia wyposażonym w napęd 4×4 był holenderski Spyker z 1902 r., w którym pojawił się po raz pierwszy centralny dyferencjał przekazujący napęd z silnika benzynowego do kół.

Największy postęp w dziedzinie napędu na cztery koła nastąpił podczas drugiej wojny światowej, za sprawą amerykańskiego Willysa, pojazdu, który zdefiniował pojęcie auta terenowego. Z kolei popularność tego rozwiązania w samochodach osobowych to głównie zasługa Audi, które w 1980 r. pokazało auto ze stałym napędem na cztery koła (wersja quattro), oraz hołdującego podobnym rozwiązaniom japońskiego Subaru.

Subaru outback
Subaru outback

4×4 niejedno ma imię

Dla miłośników off-roadu napęd na cztery koła jest niezbędny, zresztą pierwotnie po to został wymyślony. Dzięki niemu diametralnie wzrasta dzielność auta w terenie, czyli zdolność pokonywania przeszkód. Taki napęd bardzo pozytywnie wpływa także na trakcję, dlatego jest tak często stosowany w samochodach sportowych. Z 4×4 na śliskim zwykle łatwiej się rusza, a na zakręcie później wpada w poślizg. Ale także zwykli kierowcy często spotykają się z sytuacjami, kiedy obecność napędu na obie osie jest niedo przecenienia. Wystarczy trochę śniegu na ulicach i od razu widać, które auta mają wsparcie 4×4. Tego rodzaju rozwiązanie znacznie poprawia bezpieczeństwa jazdy, ponieważ każde koło ma dużo większy zapas przyczepności. Nawet jeżeli jedno z nich zacznie tracić trakcję, pozostałe trzy zadbają o przeniesienie sił napędowych na asfalt. Dodatkowo efekt buksowania kół zostaje zminimalizowany, dzięki czemu opony wolniej się zużywają, a auto bez problemu rusza z miejsca nawet przy złej pogodzie. Nie ma jednak róży bez kolców – 4×4 ma także wady. Wyposażone w nie pojazdy są droższe, więcej kosztuje ich serwisowanie, są cięższe i zwykle nieco więcej palą.

Najczęściej spotykane na rynku napędy 4x4 można podzielić na trzy główne kategorie:

włączane ręcznie - typowe dla prawdziwych terenówek i pick-upów;

stałe z centralnym dyferencjałem - stosowane często w autach o sportowym zacięciu;

włączane automatycznie - obecnie zdecydowanie najpopularniejsze, stosowane przede wszystkim w modnych crossoverach i SUV-ach.

Przyszłość jednak należy do aut, w których każde koło będzie napędzane oddzielnym silnikiem elektrycznym.

Na bezdroża

Napęd 4×4 włączany ręcznie to taki, który kierowca aktywuje dźwignią lub przyciskiem. Kiedy pojazd porusza się po nawierzchni o dobrej przyczepności, cały napęd trafi a na jedną oś, zwykle tylną. Kiedy jednak wjedziemy w głębokie błoto, piasek lub na inne luźne podłoże, aby się nie „zakopać”, włączamy samodzielnie napęd przedniej osi. W układzie nie ma centralnego dyferencjału, napęd z silnika trafi a do tzw. skrzyni rozdzielczej i tam jest rozsyłany do poszczególnych osi – co istotne, na sztywno, tzn. prędkość obrotowa na poszczególnych osiach nie może być różnicowana. Właśnie dlatego auta wyposażone w taki system nie mogą poruszać się po zwykłych szosach z załączonym 4×4. Na drodze twardej przednia i tylna oś muszą poruszać się z różnymi prędkościami, a więc napęd 4×4 trzeba rozłączyć. Często włączenie 4×4 wymaga dodatkowo zatrzymania auta.

W terenówkach skrzynka rozdzielcza zwykle wyposażona jest w reduktor, czyli dodatkową przekładnię umieszczoną za skrzynią biegów, która w trybie off-road zmniejsza prędkość kół o ok. połowę, jednocześnie zwiększając o tyle samo moment napędowy. W najlepszych autach terenowych mechanizm różnicowy można dodatkowo zablokować, co jeszcze bardziej zwiększa dzielność off-roadową.

Na rynku występują także auta z centralnym dyferencjałem, w których można odłączać przedni napęd. Rozwiązanie takie stosuje np. Mitsubishi w modelu L200. W takim wypadku mówimy o napędzie mieszanym. Zaletą ręcznie włączanego napędu na cztery koła jest mało wyrafi nowana konstrukcja. Ponieważ wszystkie najważniejsze elementy są mechaniczne – łatwiej i taniej je naprawić, odpadają też problemy z elektroniką.

Aut z ręcznie załączanym układem 4×4 jest coraz mniej. Jedną z ciekawszych propozycji stanowi wciąż niezawodna Toyota Land Cruiser (można znaleźć także wersje ze stałym napędem 4×4). Poza możliwością zblokowania międzyosiowego lub tylnego mechanizmu różnicowego oraz reduktorem, jazdę w terenie ułatwia nam nowatorski system CRAWL, który potrafi zastąpić kierowcę podczas pokonywania wzniesień. Ustawiamy żądane tempo poruszania się auta pod górę lub tempo zjazdu, a CRAWL sam dba o dohamowywanie każdego z kół, żeby nie doszło do utraty przyczepności. Klasykiem wśród terenówek z ręcznie dołączanym 4×4 jest także Jeep Wrangler. Wśród pick-upów warto zwrócić uwagę na nowego Nissana Navarę, który bardzo umiejętnie łączy cechy auta użytkowego i terenowego. Siła napędowa standardowo wędruje w nim na tylną oś, ale kierowca ma możliwość dołączenia na sztywno przednich kół, załączenia reduktora i blokady tylnego mostu.

Willys MB
Willys MB

Najlepsza trakcja

Stały napęd na obie osie, oparty na centralnym mechanizmie różnicowym, to z kolei rozwiązanie najbardziej skomplikowane i najdroższe, ale zapewniające największą stabilność jazdy. Kluczowym elementem tej technologii jest centralny mechanizm różnicowy (zwany także centralnym dyferencjałem). Trafi a do niego napęd z silnika, który potem permanentnie przekazywany jest na przód i na tył. Dodatkowo możliwe jest różnicowanie obrotów przedniej i tylnej osi (np. na zakrętach). We współczesnych autach znajdziemy najczęściej dwa rodzaje mechanizmów różnicowych – klasyczne o ustalonym rozdziale momentów lub typu Torsen, w których rozkład siły napędowej zależy od obciążenia na osiach. W tych pierwszych stosuje się albo proste mechanizmy stożkowe i wtedy moment obrotowy jest dzielony w proporcji 50:50, albo bardziej skomplikowane mechanizmy typu planetarnego, rozdzielające moment w nierównych proporcjach, np. 60:40.

Mechanizm różnicowy typu Torsen znany jest przede wszystkim z modeli Audi w wersji quattro (z silnikami montowanymi wzdłużnie, w tych instalowanych poprzecznie 4×4 jest dołączane automatycznie). Zgodnie z nazwą, która pochodzi od słów torque sensing, czyli wyczuwający moment, Torsen potrafi wykryć zmianę różnych prędkości międzyosiami (np. gdy wpadniemy w poślizg) i samodzielnie dopasować rozkład siły napędowej – zawsze jej większa cześć jest kierowana w stronę osi o lepszej przyczepności. Dzięki temu napęd przenoszony jest bardzo płynnie, a auto trzyma się drogi, jakby było do niej przyklejone.

Równie znany jest Symmetrical AWD, opracowany przez Subaru już 40 lat temu (Subaru Leone 4WD był pierwszym masowo produkowanym osobowym samochodem z napędem czterech kół). Skrzynia biegów, wraz z przednim dyferencjałem i półosiami o jednakowej długości, umieszczona jest w osi samochodu, podobnie jak wał napędowy biegnący do tylnego dyferencjału oraz tylna przekładnia główna i tylne półosie, również o równej długości. Drugą charakterystyczną cechę układu SAWD stanowi to, że zamontowany jest on najniżej jak to możliwe, a zarazem przesunięty maksymalnie do tyłu. W efekcie środek ciężkości całego samochodu znajduje się wyjątkowo nisko i blisko geometrycznego środka auta, co zmniejsza boczne i wzdłużne przechyły pojazdu. SAWD znajdziemy m.in. w Subaru WRX STI, Imprezach czy Foresterach.

Mitsubishi l200
Mitsubishi l200

Ciekawym patentem w temacie stałego napędu 4×4 pochwalił się niedawno Ford przy okazji premiery nowego Focusa RS. Mam na myśli system Ford Performance AWD. Opiera się on na dwóch elektronicznie sterowanych sprzęgłach po obu stronach tylnego mechanizmu różnicowego. Zarządzają one nie tylko rozdziałem napędu między przednią a tylną osią, ale również dystrybucją momentu obrotowego pomiędzy prawe i lewe koło na tylnej osi. Dzięki temu umożliwiają tzw. wektorowanie momentu obrotowego, co ma ogromny wpływ na zachowanie się auta w zakrętach i stabilność w łuku.

Stały napęd 4×4 znajdziemy także m.in. w Mitsubishi Lancer Evolution, Land Roverach Discovery i Defender, Porsche 911 Carrera, Kii Sorento, Jeepach Grand Cherokee (Select-Trac) czy Mercedesach 4Matic (silniki wzdłużne).

Skuteczny i wygodny

Zdecydowana większość samochodów, w których nazwie widać oznaczenie 4×4 (zwykle producenci stosują jakieś własne marketingowe symbole, np. BMW używa nazwy xDrive, VW 4Motion, Mercedes 4Matic; najczęściej spotkamy jednak AWD lub 4WD), ma systemy dołączanego automatycznie napędu na cztery koła. Jest to rozwiązanie dosyć proste i coraz bardziej skuteczne. Napęd przenoszony jest z silnika na jedną oś, a jeżeli okaże się, że auto ma problemy z trakcją, jego część trafia także na drugą oś za pośrednictwem dodatkowego sprzęgła zamontowanego zwykle przy osiowym dyferencjale. To w zupełności wystarczapodczas codziennego użytkowania np. w mieście lub do jazdy w lekkim terenie. Pomoże nam zarówno podczas poślizgu, jak i wyjeżdżania z zaśnieżonej osiedlowej uliczki.

Dawniej zwykle stosowano sprzęgiełka wiskotyczne, które włączały się samoczynnie po wystąpieniu różnicy obrotów. Dziś odpowiada za to elektronika, co umożliwia pracę układu w kilku trybach – dlatego często w autach z automatycznie dołączanym 4×4 znajdziemy charakterystyczne pokrętła z symbolami Auto, 2WD, 4WD, Sand, Rock itp. W odróżnieniu od stałych napędów, gdzie o ich rozkładzie decydują przede wszystkim aktualna przyczepność i mechanika, w automatycznych4x4 zarządza tym urządzenie sterujące (hydrauliczne lub elektroniczne), dzięki czemu układ może nawet reagować z wyprzedzeniem, zanim dojdzie do uślizgu kół. Sprzęgło sterowane elektrycznie lub elektromagnetycznie podczas stabilnej jazdy przekazuje na tył ok. 60% napędu i w chwili poślizgu płynnie zwiększa transfer napędu na oś przednią. Możliwe jest także wymuszenie proporcji 50:50 – auto zachowuje się wtedy, jakby miało stały napęd 4×4 bez centralnego dyferencjału. Sprzęgło elektryczne znajdziemy m.in. w autach koncernu BMW z systemem xDrive.

Toyota Land Cruiser
Toyota Land Cruiser

Najbardziej zaawansowane rozwiązanie w przypadku napędu włączanego hydraulicznie stanowi sprzęgło typu Haldex. Sprzęgiełko dołączające napęd ściskane jest tłoczkiem, na który działa ciśnienie oleju. W najnowszej, piątej generacji Haldeksa zastosowano specjalną pompę elektryczną, która sama dba o regulację ciśnień, natomiast pracą zarządza 16-bitowy kontroler, który uwzględnia sygnały z układu ESP oraz z silnika. Haldex ma sporą przewagę nad rozwiązaniami elektrycznymi – potrafi przenieść na koła ponad dwa razy więcej momentu, nawet 3000 Nm.

Dołączany napęd 4×4 spotykamy w większości SUV- -ów, w crossoverach, autach kompaktowych i klasy średniej. Jest to rozwiązanie stosunkowo tanie, coraz bardziej skuteczne i łatwe do zastosowania. Odłączanie jednej osi obniża także zużycie paliwa. Wady? W starszych układach tego typu działa z wyczuwalnym opóźnieniem i potrafi przenosić niewystarczającą siłę napędową. Poza tym nie należy używać go intensywnie w trudnym terenie, ponieważ ma tendencję do przegrzewania się.

4×4 pod napięciem

Na naszych drogach jeździ coraz więcej samochodów hybrydowych i elektrycznych, co także wpływa na rozwój technologii 4×4. W hybrydach możemy spotkać się z napędem realizowanym w taki sposób, że przednią oś napędza silnik spalinowy, czasami wspomagany elektrycznie, natomiast tylną niezależny silnik elektryczny. Między osiami nie ma żadnego mechanicznego połączenia, co znacznie upraszcza konstrukcję, a także umożliwia pracę w różnych trybach. W przypadku aut w pełni elektrycznych w zasadzie ciężko już mówić o napędzie na cztery koła – po prostu każda oś, a czasami nawet każde koło, ma oddzielny silniczek elektryczny. W elektryczny napęd na jedną oś wyposażono np. Mitsubishi Outlandera PHEV, hybrydowe Peugeoty 3008 i 508, Lexusy RX i NX oraz nowe Volvo XC 90 T8. Wśród aut elektrycznych, które mają napędzane wszystkie koła, prym wiodą przede wszystkim samochody Tesli – model S i X