4x4 niejedno ma imię

Samochody z napędem czterech kół to swego rodzaju motoryzacyjna elita. Nie trzeba przekonywać, że rozwiązanie takie jest konieczne w samochodach terenowych – mówimy tu o autach prawdziwie terenowych, pracujących tam, gdzie przejechać bez sprawnego 4x4 po prostu by się nie dało. Jednak z takimi pojazdami mamy dziś do czynienia coraz rzadziej, gdyż prawdziwa terenówka charakteryzować się też musi odpowiednią budową nadwozia i podwozia, a to powoduje, że niezbyt się nadaje do sprawnej i wygodnej komunikacji po drogach utwardzonych, pozostając specjalizowanym sprzętem roboczym lub ewentualnie sportowym.

Obecnie nawet gdy auto wygląda na terenowe (bo jazda czymś takim ma przynosić swoisty prestiż), to w rzeczywistości jego konstrukcja nastawiona jest na komfort i łatwość użytkowania. Pojazdy takie należą do kategorii SUV-ów (Sports Utility Vehicle czyli auto sportowo – użytkowe) i wiele z nich także ma napęd 4x4, ale najczęściej są to rozwiązania uproszczone, często nie wymagające żadnej obsługi przez kierowcę, ale za to wyraźnie mniej sprawne w trudnych warunkach drogowych.

W samochodach osobowych napęd przenoszony na więcej niż jedną oś w praktyce potrzebny jest rzadko, ale i tu bywają sytuacje (wcale nie w ciężkim terenie) gdy staje się nieoceniony. W tej dość zróżnicowanej klasie 4x4, obejmującej zarówno skromne kombi przeznaczone dla osób mieszkających na górskich, często zaśnieżonych terenach, jak i supersportowe pojazdy o wielkich mocach, systemy napędu z założenia konstruuje się tak, by fakt napędzania czterech kół w żaden sposób nie utrudniał jazdy, a przynajmniej nie „rzucał się w oczy”. Często układów tych nie można nawet nazwać pełnoprawnymi 4x4. Jak się przekonamy, wszystkie te rozwiązania mają swoje zalety, ale też i wady.

Mechanizm różnicowy to stosunkowo proste urządzenie (najczęściej zbudowane z kilku kół zębatych), które umożliwia wyprowadzenie napędu ze skrzyni biegów na dwa koła samochodu, ale w ten sposób, by mogły się one obracać z różną prędkością.

Terenowe mają łatwiej

To dość zaskakująca prawda! Budowa napędu 4x4 w aucie hardcorowo – terenowym może być stosunkowo prosta, bo nie wymaga się by taki samochód zachowywał się idealnie podczas jazdy po równej, przyczepnej nawierzchni. Wręcz zakłada się, że terenówka ma jeździć sprawnie tam, gdzie przyczepność jest niedostateczna a podłoże nierówne, a więc wszystkie koła naraz nigdy nie mają dobrej przyczepności. Dlatego najskuteczniejsze rozwiązanie to „sztywne” wyprowadzenie napędu do przedniej i tylnej osi, a w obu tych osiach zastosowanie także „sztywnych” blokad mechanizmów różnicowych.

Tutaj musimy zastanowić się, czym właściwie jest mechanizm różnicowy zwany też dyferencjałem. To stosunkowo proste urządzenie (najczęściej zbudowane z kilku kół zębatych), które umożliwia wyprowadzenie napędu ze skrzyni biegów na dwa koła samochodu, ale w ten sposób, by mogły się one obracać z różną prędkością. W praktyce jest tak, że przy stałych obrotach wału napędowego, stała jest też suma obrotów obu wałów wyjściowych z dyferencjału. Na przykład jeżeli jeden z wałów zatrzymamy, drugi będzie się obracał dwa razy prędzej.

Po co to jest potrzebne? Zauważmy, że cztery koła samochodu jadącego na zakręcie pokonują różne drogi. Gdyby w osiach napędzanych nie było dyferencjałów, prędkości obrotowe kół musiałyby być jednakowe, a zatem któreś z nich (w każdej osi) musiałyby się ślizgać. Przy dobrej przyczepności utrudniałoby to skręcanie, doprowadzało do zużycia opon i mechanizmów. Takie rozwiązanie byłoby natomiast idealne w terenie – nawet gdyby tylko dwa dowolne koła miały kontakt z podłożem, przenosiłyby sto procent możliwej do przeniesienia siły napędowej, a opory i zużycie opon i tak miałyby wtedy drugorzędne znaczenie. Niestety, na zwykłej drodze taki układ byłby niedopuszczalny.

Wiemy już, że dzięki mechanizmowi różnicowemu w osi napędzanej nasz zwykły samochód może swobodnie skręcać i nie traci przyczepności na łuku drogi. Jeżeli chcemy napędzać w naszym szosowym aucie naraz cztery koła, musimy wyposażyć je aż w trzy mechanizmy różnicowe – w przedniej osi, w tylnej osi i tzw. międzyosiowy. Wszystkie cztery koła przekażą wtedy napęd i nie będą musiały obracać się z tą samą prędkością. Ale jest i zła wiadomość – jeżeli któreś napędzane koło się uniesie, a nawet gdy choćby trafi na lód – z samej istoty mechanizmu różnicowego zacznie się ono obracać swobodnie, a siła napędowa kierowana na pozostałe trzy, będzie bliska zeru. Dlatego właśnie, mówiąc o układzie napędowym terenówki, wspomnieliśmy o blokadach mechanizmów różnicowych (dyferencjały są konieczne, bo terenówka czasami jeździ także po asfalcie). Natomiast samochód terenowy wcale nie musi mieć centralnego mechanizmu różnicowego, choć są i takie rozwiązania. W jego miejsce można zastosować element odłączający „ten drugi” most napędowy – w końcu kierowca wie, kiedy z szosy zjeżdża w trudny teren, a na szosie 4x4 nie jest mu potrzebne.

Aby opis był kompletny dodajmy, że auta terenowe prawie zawsze wyposażone są także w reduktor, czyli dodatkową dwubiegową skrzynię biegów, umieszczoną za skrzynią zasadniczą. Wybranie wolniejszego przełożenia umożliwia powolną jazdę z rozsądnie dużymi obrotami silnika, co często ułatwia pokonywanie przeszkód terenowych.

W klasycznych terenówkach wspomniane urządzenia (reduktor i sprzęgło przenoszące napęd na przednią oś) obsługuje się zazwyczaj ręcznie, mechanicznie. Blokady mostów sterowane są pneumatycznie lub elektromagnetycznie. W nowoczesnych samochodach terenowych mechanizmami sterować mogą siłowniki, a kierowca ma wtedy do dyspozycji jedynie przełącznik trybów pracy. Warto jednak zauważyć, że opisany tu samochód terenowy w eksploatacji miejskiej czy szosowej traci większość swych zalet, a wspomniane ciężkie napędy z blokadami, reduktor itp., wozi właściwie zupełnie niepotrzebnie.

Uniwersalny SUV

Ponieważ zauważono, że większość nabywców aut terenowych prawie nigdy nie zjeżdża w teren, pojawiła się koncepcja SUV-ów. Często wyglądają jak terenówki, ale zazwyczaj nie mają tak mocnych jak one podwozi i solidnych kratownicowych ram. A napęd 4x4? Warto go jednak pozostawić, jednak w zupełnie innej formie.

Pierwszy pod nóż poszedł reduktor. Na asfalcie nie jest zupełnie potrzebny, obecnie w niektórych konstrukcjach stosuje się w jego miejsce dodatkowy „krótki” pierwszy bieg w skrzyni biegów. To zupełnie wystarcza do ruszania z przyczepą obciążoną żaglówką, lub do okazjonalnej przejażdżki w lekkim terenie.

Drugim elementem terenowego napędu 4x4, z którego zrezygnowano w SUV-ach, są wszelkie „sztywne” blokady mechanizmów różnicowych. Byłyby one zupełnie zbędne a wręcz szkodliwe na równych nawierzchniach, zarówno przyczepnych, jak i śliskich. W każdych warunkach powodowałyby niekontrolowany uślizg jednego lub dwóch kół samochodu, a więc prócz strat energii, także utratę stabilności pojazdu.

W ten sposób dochodzimy do klasycznego stałego układu napędowego 4x4: za skrzynią biegów znajduje się tzw. skrzynia rozdzielcza w postaci centralnego mechanizmu różnicowego, a stąd napęd poprowadzony jest do przedniej i tylnej osi, gdzie znajdują się odpowiednio dwie przekładnie główne ze swoimi mechanizmami różnicowymi. Niczego się nie rozłącza i nie blokuje, wszystko działa bez zmian, w każdych warunkach drogowych.

Pozostaje tylko jeden problem, o którym już wspominaliśmy – gdy którekolwiek koło samochodu traci przyczepność, samochód nie ma napędu w ogóle, czasami jest więc nawet gorzej niż z napędem tylko jednej osi. Lekarstwem na to okazało się zastosowanie, przynajmniej w centralnym dyferencjale, pewnego rodzaju częściowej blokady – powstał w ten sposób tzw. mechanizm różnicowy o zwiększonym tarciu.

Praktycznych rozwiązań jest tu kilka, można w jego wnętrzu umieścić np. dowolne sprzęgło cierne, które przenosi pewną część momentu napędowego pomiędzy przednią a tylną częścią układu napędowego. Gdy prędkości obrotowe przedniego i tylnego wału napędowego są różne, w sprzęgle powstaje moment obrotowy, przekazywany na ten wał, który współpracuje z kołami o większej przyczepności. Nawet gdy jedno z kół (a więc jeden z mostów napędowych) nie przekazuje napędu w ogóle, ten drugi potrafi jeszcze napędzać samochód. Tym samym idea napędu 4x4 zostaje podtrzymana, a dla usprawnienia pracy całości można podobne dyferencjały ze zwiększonym tarciem wewnętrznym umieścić także w jednym lub obu mostach napędowych.

Opisany wyżej napęd zwany napędem Fergusona, jest podstawowym systemem 4x4 stosowanym w samochodach nieterenowych. Użyto go seryjnie po raz pierwszy w brytyjskim luksusowo – sportowym Jensenie FF (Formula Ferguson) z roku 1966. Pomysł Harry'ego Fergusona (znanego szerzej jako konstruktora ciągników) polegał na tym, że równolegle do centralnego planetarnego mechanizmu różnicowego wbudowano parę sprzęgieł płytkowych, które przy poślizgu kół jednego z mostów, przekazywały napęd na drugi most napędowy. Co więcej, ów mechanizm różnicowy przekazywał moment napędowy na obie osie w nierównym stosunku, czyniąc z auta bardziej „tylno” niż „przednio napędowe”.

System ten stosuje się do dziś w wielu wariantach. Pierwszym producentem, który użył podobnego napędu 4x4 na szeroką skalę było od 1972 roku Subaru (obecnie w centralnym dyferencjale firma ta stosuje najczęściej sprzęgło wiskotyczne albo sprzęgło wielopłytkowe sterowane elektromagnetycznie). Innym znanym producentem aut 4x4 (o zastrzeżonej nazwie Quattro) jest od 1980 roku Audi, które jako centralny mechanizm różnicowy stosuje od lat urządzenie zwane Torsen. Dyferencjał ten oparty na zazębieniach ślimakowych wykazuje się funkcją progresywnego (zależnego od przekazywanego momentu napędowego) zwiększonego tarcia wewnętrznego bez użycia jakichkolwiek dodatkowych sprzęgieł czy blokad. Napęd Fergusona stosuje też Mercedes w autach z napędem 4Matic (obecnie jako blokady stosując najczęściej hamulce kół, czyli system EDL), używało go także BMW we wcześniejszych wersjach napędu X-Drive, Ford (np. Sierra 4x4) i wielu innych producentów.

Zauważmy, że mówimy tu przede wszystkim o rozwiązaniach czysto mechanicznych, „niesterowalnych” elektronicznie, z wyjątkiem może funkcji EDL. W żadnym z nich ani kierowca, ani programowalny sterownik elektroniczny nie ma nic do powiedzenia w kwestii rozdziału momentu napędowego. Zatem specjaliści będą się spierać: jedni uznają, że mechaniczny, stały napęd 4x4 to jedynie słuszne rozwiązanie, inni zaś powiedzą, że przecież można zrobić to lepiej. Ci drudzy odkryli, że szosowy samochód 4x4, SUV-a czy auto osobowe, można pozbawić centralnego mechanizmu różnicowego. I nadal będzie dobrze, a nawet lepiej, bo taniej, lżej, a równie funkcjonalnie.

Elektronika wie lepiej?

Na początku twierdziliśmy, że szosowe 4x4 musi mieć centralny dyferencjał, a teraz uznajemy, że nie musi? Potrzebne jest zatem wyjaśnienie. Sprawa wynika z założenia, że na szosie stały napęd 4x4 jest (przeważnie) w ogóle zbędny. No bo rzeczywiście, przez większą część czasu urządzenie to w ogóle nie pracuje, działa zaś tylko wtedy, gdy część kół traci przyczepność.

Wobec powyższego może lepszy byłby stały napęd jednej tylko osi, oraz układ napędowy drugiej osi pozostający „w oczekiwaniu”, ale odłączony od tamtej, pierwszej części? Jednak w przeciwieństwie do auta terenowego owo dołączanie napędu 4x4 musiałoby następować automatycznie, bez udziału kierowcy, a najlepiej tak, żeby wydawało mu się, że napęd 4x4 jest naprawdę stały. W takim przypadku centralny mechanizm różnicowy okazuje się rzeczywiście niepotrzebny, a zamiast niego musi pojawić się odpowiednie „szybkie” sprzęgło, które w razie potrzeby przekaże trochę (ale niewiele i z poślizgiem) momentu na tę „drugą” oś. Zaletą będzie odelżenie układu napędowego, zmniejszenie oporów przy jeździe bez poślizgów i niższa cena. A przy nazwie modelu można przecież nadal umieścić oznaczenie 4x4, Quattro, X-Drive lub podobne – większość klientów się nie zorientuje.

Początkowo usiłowano zrealizować tę ideę najprościej i bez udziału elektroniki, łącząc obie części układu napędowego sprzęgłem wiskotycznym (pierwsze wersje VW Syncro, nieliczne rozwiązania Renault, obecnie Panda 4x4). Sprzęgło wiskotyczne (lepkościowe) ma jednak tę wadę, że przenosi moment dopiero po pojawieniu się znacznej różnicy obrotów obu wałów. Niestety, i czas i wielkość przenoszonego momentu ma tu znaczenie, tym bardziej że działaniem takiego sprzęgła zupełnie nie można sterować. W rezultacie jedyną zaletą lepkościowego rozwiązania jest niska cena i niewielka masa. Gwoli sprawiedliwości dodajmy, że sprzęgła lepkościowe stosują nadal z sukcesem w swych układach „pseudo 4x4” firmy Lamborghini i Audi (w modelu R8). Tu jednak chodzi o przeniesienie zaledwie kilkunastu proc. momentu napędowego na przednie koła, gdy podczas ostrego startu tylne kręcą się w miejscu.

Dołączane 4x4 żyje jednak i ma się coraz lepiej w rozwiązaniach „budżetowych”, za sprawą trzech innych, konkurencyjnych rozwiązań. Pierwszym jest hydraulicznie blokowane sprzęgło Haldex (produkt szwedzki, układ stosowany przez grupę VW, Volvo, obecnie Opla). Haldex przez kilkanaście lat przeszedł głęboką ewolucję, będąc na początku systemem pasywnym (ciśnienie hydrauliczne powstawało dopiero po poślizgu kół napędzanych), zaś jego najnowsza wersja jest całkowicie aktywna, z elektryczną pompą hydrauliczną, co umożliwia zablokowanie sprzęgła nawet na postoju.

Drugi taki układ ma rodowód japoński (m.in. firma Borg Warner oraz opracowania własne Nissana i Toyoty), a stosowany jest przede wszystkim w pojazdach z dalekiego wschodu i pokrewnych. W tym przypadku sprzęgło wielopłytkowe blokowane jest elektromagnetycznie, a zatem do chwilowej „blokady” napędu 4x4 można doprowadzić również w każdym momencie. Oba te rozwiązania stosowane są w SUV-ach i autach osobowych najczęściej z napędem przednim, zatem dołączany jest napęd osi tylnej.

Trzeci, pokrewny im układ to współczesny X-Drive BMW, gdzie oczywiście stale napędzane są koła tylne, a dołączany jest układ napędowy przodu. Dzieje się to na rozkaz sterownika elektronicznego, poprzez dźwigniowy mechanizm z silnikiem elektrycznym, blokujący sprzęgło wielopłytkowe.

Zaletą wszystkich tych trzech układów jest możliwość aktywnego sterowania elektronicznego, przy użyciu danych z czujników ABS/ESP. Układy te mają ambicję „regulowania” nad- i podsterowności samochodu, a więc nie tylko zwiększają jego zdolności trakcyjne, ale mają też znacznie zwiększać bezpieczeństwo jazdy. I rzeczywiście, coś w tym musi być, skoro nawet Porsche w 911 Turbo i Panamerze 4x4 stosuje elektrycznie dołączany napęd kół przednich (Borg Warner) bez centralnego dyferencjału.

Z drugiej strony puryści twierdzą, że mechanika to mechanika – wszelkie układy z czujnikami i oprogramowaniem ustępują w praktyce staremu, dobremu, stałemu napędowi Fergusona. Dlatego Audi w swym najnowszym rozwiązaniu Quattro opracowało i opatentowało nowy, koronowy centralny mechanizm różnicowy, rozdzielający nierówno moment napędowy (więcej momentu na tylną oś) i wyposażony w aktywną, proporcjonalną płytkową blokadę, ale zupełnie pozbawiony jakiejkolwiek elektroniki. Specjaliści z Ingolstadt utrzymują, że tak jest najlepiej, bo nawet ułamki sekund opóźnienia oraz mała niestabilność działania zostaną przez sprawnego kierowcę natychmiast wykryte. A nam przyjdzie się z nimi całkowicie zgodzić.