Obecnie na rynku praktycznie każdy producent samochodów ma w swojej ofercie samochód z napędem na cztery koła. Napęd taki stosowany jest z kilku powodów. Pierwotnie w napęd 4 kół wyposażane były wyłącznie samochody terenowe, w oczywisty sposób zwiększało to zdolności terenowe pojazdu. W latach osiemdziesiątych, głównie za sprawą Audi, napęd na 4 koła pojawił się w samochodach sportowych w celu poprawienia ich trakcji w czasie przyspieszania oraz kierowalności w zakrętach. Obecnie napęd wszystkich kół staje się coraz bardziej powszechny, głównie dzięki rosnącej popularności samochodów typu SUV.
Spis treści
Co to jest mechanizm różnicowy?
Podstawą analizowania napędów na cztery koła jest zrozumienie w jakim celu stosuje się mechanizmy różnicowe. To właśnie ilość mechanizmów różnicowych oraz ich typy odróżniają od siebie różne wersje napędów 4×4. Przynajmniej jeden mechanizm różnicowy znajduje się w każdym dostępnym na rynku samochodzie z silnikiem spalinowym. Skąd więc wynika potrzeba jego stosowania? W samochodzie jadącym na wprost wszystko jest bardzo łatwe, wszystkie koła kręcą się z równą prędkością i nie jest ważne ile z nich jest napędzanych. Inaczej sytuacja ma się gdy samochód skręca. W tedy każde z czterech kół porusza się z inną prędkością. Postawiło to przed konstruktorami samochodów wyzwanie jak napędzać dwa lub cztery koła w samochodzie z różną prędkością, skoro silnik w jest tylko jeden i kręci się z jedną prędkością. Rozwiązaniem tego problemu jest pozornie proste urządzenie zwane mechanizmem różnicowym. Zastosowana w nim przekładnia obiegowa pozwala rozprowadzać ruch obrotowy oraz moment obrotowy silnika na dwie półosie z różną prędkością. W przypadku, gdy napędzana jest tylko jedna oś wystarczy zastosować jeden mechanizm różnicowy pomiędzy napędzanymi kołami. Jeżeli napęd przekazywany jest na 4 koła, każda ambitna konstrukcja posiada trzy mechanizmy różnicowe: centralny mechanizm różnicowy pomiędzy osią przednią i tylną oraz mechanizmy różnicowe przedniej osi i tylnej. Zastosowanie trzech mechanizmów pozwala napędzać wszystkie koła jednocześnie z różną prędkością. Mechanizmy te posiada jednak dużą wadę. Mogą one przenosić tylko taką siłę napędową na jaką pozwala koło o niższej przyczepności. Wytłumaczeniem tego zjawiska może być sytuacja ruszającego w zimie samochodu z napędem na jedną oś, gdy jedno z kół znajduje się na lodzie, a drugie na suchym asfalcie. Każdy z nas wie, że koło znajdujące się na lodzi zacznie się ślizgać, a drugie koło nawet nie drgnie. To właśnie jest negatywnym działaniem mechanizmu różnicowego. Do koła znajdującego się na asfalcie może trafić tylko taka siła napędowa jaką może przenieś koło znajdujące się na lodzie, czyli praktycznie zerowa. Na szczęście zjawisko to można wyeliminować stosując blokady mechanizmów różnicowych, mechanizmy o podwyższonym tarciu wewnętrznym lub … nie stosując w ogóle mechanizmów różnicowych. W artykule tym nie będziemy jednak rozróżniali od siebie różnych wersji mechanizmów różnicowych ponieważ jest to osobny bardzo obszerny temat lecz skupimy się na rodzajach układów napędowych.
Rodzaje napędów na cztery koła
W pierwszej kolejności należy wytłumaczyć, że nazwy stosowane przez producentów mogą być mylne i nie można powiedzieć jednoznacznie co to jest Quattro, 4matic lub napęd xdrive. Nie mam sensu również próbowanie rozgraniczać co to jest 4×4, 4WD czy AWD, wszystko są to tylko nazwy marketingowe. W pierwszej kolejności rozróżnijmy prawdziwe różnice miedzy napędami, a potem pod jaką nazwą i w jakim samochodzie system ten występuje.
Klasyczny stały napęd na 4 koła
W samochodzie wyposażonym w ten rodzaj napędu znajdują się trzy mechanizmy różnicowe. Napęd z silnika przenoszony jest poprzez skrzynię biegów na centralny mechanizm różnicowy, a następnie na mechanizmy różnicowe przedniej i tylnej osi. Kształt takiego układu oczywiście zależy od tego gdzie i jak umiejscowiony jest silnik. Przykładowo we wszystkich generacjach audi A4 Quattro silnik umieszczony jest wzdłużnie z przodu, natomiast w Mitsubishi Lancerze jest umieszczony poprzecznie. Tego typu układ napędowy musi być wyposażony w specjalny centralny mechanizm różnicowy, w innym przypadku nie było by sensu jego stosowania napędu na 4 koła (przeczytaj ciekawostkę poniżej artykułu). Może to być np. mechanizm różnicowy blokowany, o powiększonym tarciu wewnętrznym lub typu Torsen. Niewątpliwie tego typu układ napędowy można nazwać prawdziwym, stałym napędem na 4 koła. Zaletami jego są możliwość ciągłego napędzania wszystkich kół, duża przewidywalność zadziałania, płynne działanie i większa przyjemność z jazdy. Główną wadą natomiast są koszty wynikające z poziomu komplikacji układu napędowego oraz większa masa i zużycie paliwa. Przykładem zastosowania klasycznego napędu na 4 koła i silnika ustawianego wzdłużnie są np.: Audi A4, A6, A8 w wersjach Quattro, BMW seria 3 E46 xdrive, Mercedes W124 4matic, Subaru Impreza, Jeep Grand Cherokee, Porsche Cayenne. W układ napędowy z silnikiem ustawionym poprzecznie oraz stałym napędem wyposażone są np. Mistubishi Lancer Evo, Lancia Delta HF.
Układ napędowy z dołączanym napędem drugiej osi
Jest to obecnie najbardziej rozpowszechniony typ napędu 4×4 w popularnych samochodach osobowych oraz tańszych SUVach. W tego typu układzie napędowym występują dwa mechacimy różnicowe, na przedniej i tylnej osi. Nie ma natomiast centralnego mechanizmu różnicowego. Przykładem tego typu układu napędowego może być VW Golf 4motion z systemem Haldex. Ruch obrotowy silnika za pomocą skrzyni biegów przenoszony jest bezpośrednio na mechanizm różnicowy przedniej osi oraz wał napędowy wyprowadzający napęd na tylną oś. Zanim jednak moment obrotowy zostanie przekazany na tylną osi (poprzez tylny mechanizm różnicowy) natrafia na swojej drodze na sprzęgło typu Haldex. W sytuacji normalnej jazdy sprzęgło to pozostaje rozłączone, czyli w praktyce mamy przedni napęd. Dopiero w chwili pojawienia się wyraźnej różnicy prędkości pomiędzy przednią i tylną osią sprzęgło to się załącza (spina) i moment obrotowy silnika jest również dostarczony do tylnych kół.
Przykład VW to układ całkowicie automatyczny, z punktu widzenia użytkownika prawie identyczne działanie oferuje układ ze sprzęgłem wiskotycznym. W starszych samochodach, jak np. Fiat Panda pierwszej generacji, tylny napęd załączało się ręcznie. Jednak idea układu napędowego jest taka sama. Zaletami tego typu dołączanego napędu drugiej osi są na pewno niższy koszt (tylko dwa mechanizmy różnicowe) oraz niezłe właściwości trakcyjne w terenie. Te drugie wynikają właśnie z braku centralnego mechanizmu różnicowego, ponieważ jest to równoznaczne z jego 100% blokadą. Wad jest również kilka. Na przykład skręcając na suchym, dobrze przyczepnym asfalcie napęd na 4 koła musi być wyłączony, ponieważ koła przedniej i tylnej osi muszą kręcić się z różnymi prędkościami. Drugą wadą jest nieprzewidywalność takiego układu (w wersjach automatycznych), czyli chwila kiedy dołączy się napęd drugiej osi. Przykładami układu napędowego z dołączanym napędem drugiej osi i umieszczonym poprzecznie silnikiem z przodu są: VW Golf 4motion, Audi A3 Quattro i TT Quattro, Skoda Octavia 4×4, Nissan Qashqai, Fiat Panda, Fiat Sedici, Opel Calibra i wiele, wiele innych. W układ z silnikiem umieszczonym wzdłużnie wyposażone są wszystkie nowe BMW (po serii 3 nr E46)z napędem xdrive.
Częste pomyłki
Sprzęgło wiskotyczne i różnego rodzaju sprzęgła wielotarczowe stosowane są zarówno w układach napędowych ze stałym napędem na 4 koła oraz w układach z dołączanym napędem. W pierwszych sprzęgła te stosuje się w celu blokowania mechanizmu różnicowego, a w drugich do włączenia napędu drugiej osi. Dlatego informacja o rodzaju sprzęgła występującego w samochodzie nie mówi lub mówi niewiele o rodzaju układu napędowego. Drugą mylną informacją mogą być nazwy napędów, które firmy nadają swoim produktom. Na przykład napęd Quattro stosowany w samochodach Audi w modelu A3 i TT oznacza dołączany napęd przez sprzęgło typu Haldex, natomiast pozostałe modele wyposażone są w stały napęd na 4 koła. Podobna sytuacja jest z samochodami BMW z napędem xdrive, Mercedesami 4matic.
Przyszłość napędów 4×4
Napędzanie wszystkich kół w samochodach staje się coraz bardziej powszechne oraz coraz częściej producenci przedstawiają nowe koncepcje układów napędowych. Od kilku lat widoczna jest zmiana priorytetów przy projektowaniu tego typu układów napędowych. Wysoka mobilność samochodów z napędem na 4 koła zachodzi na drugi plan na rzecz aktywnych układów napędowych, których głównym celem jest wspomaganie kontroli nad samochodem, w trakcie skręcania z dużą prędkością oraz dynamicznego przyspieszania. Obecnie wiodącymi pod tym względem są producenci japońscy, jako liderów można wymienić Mitsubishi Lancer Evolution X, Nissana GT-R oraz najnowszej generacji Hondę Legend. Zastosowany w niej układ napędowy o nazwie SH-AWD to bardzo śmiała konstrukcja, zrywająca z wieloma przyjętymi zasadami. Do głównych, rewolucyjnych cech należy przekładnia przyspieszająca tylną oś. Pozwala ona napędzać tylne koła z niewiele wyższą prędkością niż przednie, uzyskując bardzo dobrą trakcję w czasie przyspieszania. Drugą wyjątkową cechą jest brak tylnego mechanizmu różnicowego, który zastąpiony jest poprzez dwa niezależne sprzęgła na obu tylnych półosiach. Elektroniczny system sterowania tymi sprzęgłami pozwala na ich uślizg w trakcie skręcania oraz pozwala kontrolować stabilność samochodu w wielu sytuacjach, w skrajnym przypadku rozłączając jedno sprzęgło, czyli napędzanie tylko jednego koła tylnej osi. Układ napędowy tego typu w połączeniu z wieloma czujnikami oraz nowoczesną elektroniką sterującą daje niesamowite możliwość w poprawie zachowania samochodu na drodze poprzez prawie całkowite wykorzystanie przyczepności jezdni.
Kolejnym przykładem napędu na 4 koła, na który warto zwrócić uwagę i wyjaśnić pewne rzeczy są samochody hybrydowe z napędem na 4 koła. Przykładem jest Lexus RX400h. Samochody te mechanicznie są bardzo prostymi konstrukcjami ponieważ z silnikiem spalinowych połączona jest tylko jedna oś, druga napędzana jest silnikiem elektrycznym. Rozdział momentu obrotowego pomiędzy osie sterowanych jest elektronicznie, w z góry zaprogramowanych sposób. Tego typu napęd posiada wiele zalet ponieważ napęd obu osi jest zupełnie niezależny od siebie.
Co wybrać?
Różnorodność rozwiązań dostępnych na rynku pozwala każdemu kierowcy wybrać odpowiedni dla niego typ napędu. Uogólniając można pokusić się o pewne uproszczenia. Jeżeli kierowca na co dzień jest typowym użytkownikiem dróg i zależy mu jedynie na tym by w zimie bezproblemowo dojechać do swego domku w górach to w zupełności wystarczy mu samochód z automatycznie dołączanym napędem drugiej osi. Wybór na rynku jest ogromny i każdy powinien dla siebie coś znaleźć. Dla osób poszukujących mocniejszych wrażeń, ale jeszcze w normalnych warunkach drogowych doskonale nadają się samochody z różnego rodzaju napędami aktywnymi jak BMW xdrive, Honda Legend SH-AWD. Natomiast dla purystów, którzy w zimie chcą poczuć „czysty, mechaniczny” napęd na 4 koła najlepszym rozwiązaniem są Subaru Impreza, Mitubishi Lancer Evolution X (wiele systemów elektronicznych można wyłączyć), starsze Audi z napędem Quatro (poza A3 i TT).
Ciekawostka
W samochodzie ze stałym napędem na 4 koła wystarczy brak przyczepności na jednym kole, aby samochód nie mógł nawet ruszyć. Z tego powodu, samochodem z napędem na 4 koła jest się 2 razy łatwiej zakopać niż samochodem z napędem na 2 koła ponieważ jest 2 razy większe prawdopodobieństwo, że jedno z napędzanych kół znajdzie się np. na lodzie! W celu wyeliminowania tej wady każdy taki samochód musi być wyposażony w system ograniczania poślizgu kół. W tym celu może być użyty specjalny centralny, blokowany mechanizm różnicowy lub np. jak w nowszych Mercedesach 4matic przyhamowywane jest koło znajdujące się na śliskim.
