Wszystko
o samochodach

Porady / Warto wiedzieć

4x4. Napęd na cztery koła, czyli różne oblicza techniki

Data publikacji: Autor: Bogusław Korzeniowski

Pierwszy samochód osobowy z napędem na cztery koła powstał w roku 1907 w zakładach Daimlera. Od tego czasu technika samochodowa przeszła ogromną rewolucję. Nie zmieniło się jednak jedno. Napęd na cztery koła jest najlepszym zapewnieniem poprawnej trakcji.
Fot. Archiwum Pierwszy samochód osobowy z napędem na cztery koła powstał w roku 1907 w zakładach Daimlera. Od tego czasu technika samochodowa przeszła ogromną rewolucję. Nie zmieniło się jednak jedno. Napęd na cztery koła jest najlepszym zapewnieniem poprawnej trakcji.

Dlaczego napęd na cztery koła jest lepszy?

Przednionapędowe i tylnonapędowe układy napędowe mogą dostarczyć do kół napędzanych nadmierny moment napędowy. Wynika to z faktu, że na jedną oś przypada tu w praktyce dwukrotnie więcej momentu generowanego przez silnik, niż w systemie AWD (All Wheel Drive - wszystkie koła napędowe).

Na zakręcie, czyli tam gdzie występują także boczne siły bezwładności, wszystkie te obciążenia mogą się zsumować i dojdzie do utraty stabilności pojazdu, a przeciążone koło zaczyna się ślizgać.

Tymczasem system AWD, który rozdziela moment napędowy pomiędzy cztery koła, czyni to w sposób bardziej zrównoważony. Efektem jest bardziej neutralne prowadzenie, oraz brak utraty przyczepności, także podczas pokonywania zakrętu.
Jeżeli mimo wszystko jedno z kół zaczyna na śliskiej nawierzchni tracić przyczepność, pozostałe trzy dysponują wystarczającą zdolnością do przenoszenia napędu, by skompensować to zjawisko.

Porównując systemy z napędem jednej osi i AWD widzimy, że ten ostatni dysponuje większą zdolnością do przenoszenia siły napędowej, a więc jest bezpieczniejszy. Oczywiście, współczesne rozwiązania pozwalają ograniczyć momenty napędowe w samochodach z napędem na jedną oś i zminimalizować ryzyko poślizgu. Jednak gdy napędzane są cztery koła, a moce silników są porównywalne, zachowanie auta jest łatwiejsze do skontrolowania, a przyspieszenie znacznie lepsze.

4x4. Trochę Historii, czyli kiedy to się zaczęło

Pierwsze dwa samochody z napędem na cztery koła Paul Daimler (syn Gottlieba Daimlera), będący dyrektorem technicznym w zakładach Daimler Motoren Gesellschaft (DMG), opracował już w roku 1905 na potrzeby armii Cesarstwa Austro-Węgier.
Pomimo doskonałych rezultatów, te pierwsze pojazdy transportowe i zwiadowcze o napędzie na wszystkie koła, nie znalazły zastosowania w wojsku. Prawdopodobnie przyczyną był fakt, iż dowództwo nadal odczuwało silny sentyment do wozów konnych. Wspomniane dwa samochody sprzedano do Krupp AG. Niemniej jednak pojazdy specjalne o napędzie na wszystkie osie, w kolejnych latach stopniowo zyskiwały swoje miejsce w armii. Dla jej potrzeb budowano w tej technologii ciągniki siodłowe, ciężarówki skrzyniowe i ambulanse.

Pierwszy samochód osobowy z napędem na cztery koła powstał w roku 1907 w zakładach Daimlera. Od tego czasu technika samochodowa przeszła ogromną rewolucję. Nie zmieniło się jednak jedno. Napęd na cztery koła jest najlepszym zapewnieniem poprawnej trakcji.
Fot. ArchiwumWażną datą jest rok 1907. Wtedy to firma DMG dostała zamówienie od Sekretarza Stanu Biura ds. Kolonii Afrykańskich - Bernharda Dernburga. Zlecono wykonanie „niezawodnego samochodu doskonale znoszącego długie podróże po kiepskich nawierzchniach”.

Jedyny egzemplarz tego samochodu osobowego z napędem na wszystkie koła, został zbudowany w oparciu o podwozie samochodu dostawczego, a Bernard Dernburg pokonał nim w Afryce wiele kilometrów.

Ten pierwszy osobowy model z napędem na cztery koła znany jest dzisiaj jako Dernburg.

Zobacz także: Czy można nie płacić OC kiedy auto tylko stoi w garażu?

Od tego czasu rozpoczęły się też intensywne prace nad samochodami z napędem na więcej niż jedną oś, ale dotyczyły jedynie wersji ciężarowych i wojskowych.

Nawet po II wojnie światowej, modele takie były jedynie jako wersje dla wojska (transportowe, zwiadowcze i specjalne), oraz do pracy w ciężkich warunkach – samochody terenowe

Rozwój napędu na cztery koła w samochodach osobowych rozpoczął się dopiero w roku 1971, a zawdzięczamy go firmie Subaru i modelowi Leone.

Kolejnym przełomem był rok 1980, gdy na drogi wyjechał Audi Quattro

4x4. Jak działa układ napędu na wszystkie koła w wersjach terenowych?

W samochodach z napędem na jedną oś, moment napędowy ze skrzyni biegów jest przenoszony na koła tylko za pośrednictwem przekładni głównej. Problem pojawia się w chwili, gdy należy przekazać napęd na więcej niż jedną oś.

Najprostszą metodą, aby tego dokonać, jest zastosowanie skrzyni rozdzielczej, która przekazuje część momentu na jedną i na drugą oś.. Zapewne wiele osób pamięta dodatkową dźwignię biegów, która umożliwiała wybór położenia 2H, 4H, N i 4L. Rozwiązanie to stosowane było w klasycznych samochodach terenowych i do dzisiaj możemy je spotkać np. w wersji pick up. Tyle tylko, że dzisiaj samochody te zamiast dodatkowej dźwigni mają pokrętło i załączenie przełożenia następuje elektromechanicznie, po wybraniu opcji.

Wspomniane oznaczenia wskazują, że mamy:

  • 2H – napęd tylko na tylne koła, przełożenie drogowe (High);
  • 4H – napęd na cztery koła, przełożenie drogowe;
  • N – położenie neutralne
  • 4L – napęd na cztery koła i przełożenie terenowe (Low).

Ostatnie położenie – 4L -- wynika z faktu, że samochody terenowe potrzebują nie tylko napędu na wszystkie koła, ale także zwiększenie momentu napędowego. Dlatego też wybierając tę opcję, załączany jest nie tylko napęd na obie osie, ale także dodatkowa przekładnia redukcyjna. Przełożenie takie – zwane powszechnie terenowym - pozwala zwielokrotnić siłę napędową na kołach, co przydaje się w trudnych warunkach terenowych.

Zaletą tego typu rozwiązań jest prosta i trwała konstrukcja oraz duża wytrzymałość mechaniczna. Niepodważalnym atutem jest też pełna kontrola kierowcy nad wyborem napędu.

4x4. A jak działa system napędu na wszystkie koła w „cywilnych samochodach osobowych”?

Jednakże to co jest atutem w jeździe w terenie, w samochodach osobowych, czy SUV-ach jest zbędne. Po pierwsze nikt osobówką, ani SUV-em nie jeździ w teren, a po drugie w samochodzie rodzinnym nikt nie chce dodatkowych dźwigni i dodatkowych załączeń.

Zastosowano więc automatyczny, centralny mechanizm różnicowy, dzięki czemu możliwe stało się uzyskanie stałego napędu na cztery koła. Najbardziej znanym rozwiązaniem jest w tym wypadku sprzęgło wiskotyczne (zwane też sprzęgłem lepkościowym). Mamy tu dwie odmiany: standardowe sprzęgło wiskotyczne i Sprzęgło typu Haldex.

Pierwszy samochód osobowy z napędem na cztery koła powstał w roku 1907 w zakładach Daimlera. Od tego czasu technika samochodowa przeszła ogromną rewolucję. Nie zmieniło się jednak jedno. Napęd na cztery koła jest najlepszym zapewnieniem poprawnej trakcji.
Fot. BMW1.Standardowe sprzęgło wiskotyczne
Budowa sprzęgła wykorzystuje zmianę lepkości oleju silikonowego, w zależności od temperatury i ciśnienia. W obudowie wykonanej w formie walca, umieszczone są dwa pakiety płytek stalowych. Pierwszy z pakietów płytek połączony jest za pośrednictwem wielowypustu z wałem napędowym osi tylnej. Drugi pakiet, zazębiony z obudową, jest połączony z wałkiem atakującym przekładni głównej doprowadzającym napęd do kół przednich.

Płytki w pakietach są umieszczone naprzemiennie, a pomiędzy nimi znajduje się olej silikonowy. W momencie, gdy nie występuje różnica w prędkości obrotowej obu wałów (koła obydwu osi toczą się identycznie), płytki nie wykonują względem siebie ruchu i moment obrotowy nie jest przekazywany.

W chwili zaistnienia poślizgu kół, następuje różnica prędkości obrotowej wałów. W efekcie tego, jedna para płytek obraca się szybciej niż druga i wskutek tarcia następuje wzrost temperatury i ciśnienia oleju wewnątrz obudowy. Dzięki temu olej zaczyna przenosić siły styczne, a ich wzrost następuje wraz ze wzrostem poślizgu. Tym samym zapewnia to zwiększenie wielkości momentu przekazywanego do kół tylnych (osi stale nienapędzanej).

Zaletami tego rozwiązania jest stosunkowo niska cena układu, prosta budowa, bezawaryjność i fakt, że... jest on bezobsługowy. Ważnym czynnikiem jest też brak stałego dostarczania momentu obrotowego na koła drugiej osi, co obniża zużycia paliwa. Problemem jest za to opóźnienie przekazania momentu na drugą oś, gdyż czas zwłoki wynosi ok. 1 sekundy.

Pierwszy samochód osobowy z napędem na cztery koła powstał w roku 1907 w zakładach Daimlera. Od tego czasu technika samochodowa przeszła ogromną rewolucję. Nie zmieniło się jednak jedno. Napęd na cztery koła jest najlepszym zapewnieniem poprawnej trakcji.
Fot. VW2. Sprzęgło Haldex
Unowocześnieniem tego rozwiązania zajęła się szwedzka firma Haldex. W tym wypadku, oprócz właściwości oleju silikonowego, układ wykorzystuje także pompę zwiększającą ciśnienie, oraz rozbudowaną elektronikę do sterowania przekazaniem momentu. Zmieniono też budowę sprzęgła i płytki nie łączą siebie, lecz dwa wałki przechodzące przez sprzęgło.

Stałe prace nad zmianami układu Haldex sprawiły, że na rynku obecnie mamy aż 5 generacji tego typu napędu. W pierwszej za blokowanie sprzęgła i przenoszenie momentu odpowiada pompa hydrauliczna. W drugiej, pompa współpracuje w zaworami elektrycznymi, płynniej regulującymi blokowanie. W trzeciej generacji pojawiła się pompa elektryczna, która wspomaga pracę pompy hydraulicznej. W czwartej generacji wyeliminowano pompę hydrauliczną, zastępując ją elektronicznie sterowaną. Piąta generacja to rozwój czwartej, przede wszystkim w zakresie obniżenia masy i zmniejszenia oporów wewnętrznych. Tym samym, obecnie wszystko działa szybciej, płynniej, a dzięki skorelowaniu układu elektronicznego z ABS, ESP, ESP itd, działała bardziej zależnie od warunków drogowych.

4x4. System Subaru - Symmetrical AWD

Pierwszy samochód osobowy z napędem na cztery koła powstał w roku 1907 w zakładach Daimlera. Od tego czasu technika samochodowa przeszła ogromną rewolucję. Nie zmieniło się jednak jedno. Napęd na cztery koła jest najlepszym zapewnieniem poprawnej trakcji.
Fot. ArchiwumPisząc o napędzie na cztery koła trzeba wspomnieć o "Symmetrical AWD", będącego podstawą konstrukcji samochodów Subaru. Układ ten składa się zamontowanego wzdłużnie z przodu, poziomego, przeciwsobnego silnika SUBARU BOXER, oraz -również prawie całkowicie symetrycznego- układu napędowego. Mamy więc: skrzynię biegów wraz z przednim dyferencjałem i półosiami o jednakowej długości, umieszczony w osi samochodu wał napędowy biegnący do tylnego dyferencjału, a wreszcie tylna przekładnia główna i tylne półosie, również o równej długości.

Drugą charakterystyczną cechą układu Symmetrical AWD jest to, że pozwala na zamontowanie całości, ale przede wszystkim silnika i skrzyni biegów maksymalnie nisko w samochodzie. W ten sposób, położenie środka ciężkości całego pojazdu jest obniżone.

Skutkuje to bezpośrednio większą stabilnością auta podczas pokonywania zakrętów – skoro pojazd samoistnie nie ma tendencji do mocnych przechyłów, nie trzeba im przeciwdziałać stosując wyjątkowo sztywne regulacje zawieszenia. To zaś powoduje, że zawieszenie ma odpowiednio duży skok i koła dobrze współpracują nawet z nierówną nawierzchnią.

4x4. System AWD w hybrydach

Systemy hybrydowe zmieniły spojrzenie na napęd 4WD. Jako przykład opiszemy rozwiązanie stosowane w hybrydowych Lexusach NX 300h i RX 450h. Zastosowano w nich, sterowany elektronicznie, napęd AWD o nazwie E-Four. Koła przednie napędzane są bezpośrednio przez hybrydową jednostkę napędową z bezstopniową przekładnią e-CVT, łączącą moc silnika spalinowego i elektrycznego. Napęd tylnej osi zapewnia zintegrowany z nią osobny silnik elektryczny o mocy 68 KM (moment obrotowy 139 Nm) z własnym sterownikiem mocy, przekładnią redukcyjną i mechanizmem różnicowym.

Moment obrotowy przekazywany na tylne koła jest inteligentnie regulowany przez elektronikę sterującą napędem samochodu. Podczas jazdy w normalnych warunkach silnik elektryczny tylnej osi jest wyłączony, co ogranicza zużycie paliwa. W sytuacji, gdy sterownik wykryje poślizg napędzanych kół przedniej osi, automatycznie i w ułamku sekundy, zmniejsza przekazywany do nich moment obrotowy i uruchamia silnik kół tylnych, ułatwiając np. ruszanie na śliskiej nawierzchni. Elektronika odpowiednio dozuje moc tylnego silnika także podczas dynamicznej jazdy, poprawiając stabilność i sterowność samochodu. Podczas zwalniania i hamowania silnik tylnej osi pełni również rolę generatora ładującego akumulator układu hybrydowego, umożliwiając odzyskanie części energii kinetycznej pojazdu.

Zastosowany w crossoverach Lexusa układ E-Four udostępnia zalety napędu na wszystkie koła , nie mając wad zwiększonego zużycia paliwa, czy opóźnienia w działaniu. Dodatkową korzyścią są jego niewielkie wymiary, stosunkowo mała masa i prostota, korzystanie wpływająca na trwałość i niezawodność.

4x4. Samochody elektryczne i napęd AWD

Pierwszy samochód osobowy z napędem na cztery koła powstał w roku 1907 w zakładach Daimlera. Od tego czasu technika samochodowa przeszła ogromną rewolucję. Nie zmieniło się jednak jedno. Napęd na cztery koła jest najlepszym zapewnieniem poprawnej trakcji.
Fot. ArchiwumWraz z wprowadzeniem samochodów elektrycznych, układ napędowy na cztery koła ulegnie całkowitej zmianie. Jako przykład podamy układ napędu na cztery koła w Volkswagenie ID.4 GTX.

Jego elementami są dwa silniki elektryczne napędzające – za pośrednictwem jednostopniowej przekładni – tylne i przednie koła samochodu. W przeciwieństwie do tradycyjnych układów napędowych na cztery koła, między osiami w ID.4 GTX nie ma mechanicznego połączenia, dlatego podłoga w kabinie pasażerskiej jest płaska.

Elektryczne silniki ID.4 GTX są małe i lekkie. Przy tylnej osi pracuje stale wzbudzony silnik synchroniczny (PSM) o mocy 204 KM (310 Nm), który odznacza się dużą sprawnością. Przy osi przedniej zamontowano jednostkę asynchroniczną (ASM). Umożliwia to najmocniejszemu modelowi z rodziny ID.4 uzyskanie przyspieszenia od zera do 60 km/h w ciągu 3,2 sekundy i od zera do 100 km/h w ciągu 6,2 s. Ograniczona elektronicznie prędkość maksymalna wynosi 180 km/h.

4x4. Dołączany napęd przednich kół w autach ciężarowych

Jak wspomniano, na początku napęd na cztery koła był głównie w samochodach ciężarowych. Nie inaczej jest obecnie. Warto więc wspomnieć o ciekawym rozwiązaniu, jakie oferuje Mercedes w samochodzie ciężarowym Arocs. Ponieważ napęd na wszystkie koła w pojazdach budowlanych: niektórzy potrzebują przez cały czas, inni nigdy, a wielu - tylko od czasu do czasu, zaoferowano hydrauliczny napęd pomocniczy (HAD - Hydraulic Auxiliary Drive), czyli dodatkowy system napędu uruchamiany za naciśnięciem przycisku.

Podstawowe elementy napędu HAD obejmują pompę wysokiego ciśnienia, przednią oś z silnikami w piastach, moduł boczny oraz blok zaworów. Podzespoły hydrauliczne są połączone za pomocą przewodów hydraulicznych przesyłających ciecz pod zróżnicowanym ciśnieniem.

Silniki w piastach przednich kół zamieniają ciśnienie hydrauliczne na pracę mechaniczną. Są to jednostki gwiazdowe z centralnym wałem korbowym, o 10 cylindrach umieszczonych promieniowo na obwodzie koła. Ich tłoki są naprzemiennie wypychane przez ciśnienie hydrauliczne. Siła reakcji wytwarza moment, który napędza przednie koła. Każdy z silników ma pojemność 934 ccm, moc 55 KM i osiąga maksymalny moment obrotowy 6250 Nm. Olej hydrauliczny do ich zasilania jest dostarczany bezpośrednio przez sworzeń zwrotnicy. Zamontowany w końcówce obrotowy rozdzielacz zabezpiecza przewody wysokiego ciśnienia przed zawinięciem w trakcie skręcania. Układ nie musi więc kompensować ruchów kierownicy, a jedynie ruchy zawieszenia - co ma istotny wpływ na wydłużenie żywotności.

"Mózgiem" hydraulicznego napędu pomocniczego jest moduł połączony z jednostką sterującą przekładnią (TCU - transmission control unit). Nadzoruje on działanie pompy, bloku zaworów i wentylatora, a więc całego dodatkowego układu napędowego. Główną zaletą opracowanego przez Mercedes-Benz systemu sterowania jest elastyczność - wartość momentu obrotowego generowana przez silniki w piastach kół jest dostosowana do sytuacji na drodze. System zbiera informacje z czujników: analizuje poślizg i masę pojazdu, a także jego nachylenie. W porównaniu z prostymi rozwiązaniami typu 0-1, wyrafinowane sterowanie napędem HAD zapewnia lepszą trakcję: generuje tyle momentu, ile potrzeba w danej sytuacji. Jednocześnie układ odznacza się dłuższą żywotnością i w znacznie mniejszym stopniu wpływa na zwiększenie zużycia paliwa oraz emisji spalin.

4x4. Przyszłość?

Napęd na cztery koła, wraz z rozwojem technologii, przechodził potężne ewolucje i modernizacje. Ostatnim etapem jest zastosowanie dołączanych, do klasycznych wersji napędu przedniej osi, silników elektrycznych z tyłu. Z pewnością właśnie to rozwiązanie będzie przyszłością napędów na cztery koła. Jest prostsze i tańsze niż klasyczne doprowadzenie napędu do tylnej osi. Dodatkowo zapewnia szybsze działanie i... ogranicza zużycie paliwa, czyli emisję spalin.

Zobacz także: Peugeot 308 w odmianie kombi

Pierwszy samochód osobowy z napędem na cztery koła powstał w roku 1907 w zakładach Daimlera. Od tego czasu technika samochodowa przeszła ogromną rewolucję. Nie zmieniło się jednak jedno. Napęd na cztery koła jest najlepszym zapewnieniem poprawnej trakcji.
Fot. Archiwum

Pierwszy samochód osobowy z napędem na cztery koła powstał w roku 1907 w zakładach Daimlera. Od tego czasu technika samochodowa przeszła ogromną rewolucję. Nie zmieniło się jednak jedno. Napęd na cztery koła jest najlepszym zapewnieniem poprawnej trakcji.
Fot. Archiwum

Spodobał Ci się artykuł? Udostępnij go swoim znajomym na Facebooku i Twitterze!

Zobacz także

Tagi:

Brak komentarzy - napisz pierwszy

Najnowsze motofakty

Wszystkie artykuły

Motofakty mazowieckie

Top 5 motofaktów

Testy i porównania

Premiery i nowości