Napęd na cztery koła: rodzaje, działanie, zalety i wady

Nawet najprostszy układ 4×4 znakomicie poprawia trakcję w czasie jazdy. Ale napęd napędowi nierówny. Oto podstawowe typy, zasada działania oraz zalety i wady różnych rodzajów układów napędu 4×4.

Najważniejsza zaleta napędu na cztery koła to poprawa trakcji, czyli zwiększenie przyczepności podczas ruszania z miejsca i przyspieszania. W końcu lepiej odpychać się od podłoża za pomocą czterech, a nie dwóch kół.

Aby zobrazować tę różnicę wystarczy wyobrazić sobie zwierzę biegnące po luźnej nawierzchni. Np. konia, który bez problemu startuje z miejsca i nabiera prędkości. Teraz w tych samych warunkach należy umiejscowić biegacza. Piasek czy żwir, i to nawet, jeśli na nogach ma najlepsze dostępne obuwie, mocno mu utrudnia poruszanie się.

Jensen FF

Pierwszym samochodem osobowym, w którym zastosowano napęd na cztery koła był brytyjski Jensen FF, wytwarzany w latach 1966-1971. Auto wyposażono w 3-stopniową przekładnię automatyczną, z której moment obrotowy trafiał do obu osi za pomocą centralnego mechanizmu różnicowego (TUTAJ poznasz najbardziej przełomowe auta w świecie motoryzacji).

Jensen FF

Audi Ur-quattro

Ale napęd na cztery koła lata później upowszechniło Audi, dzięki sukcesom w sportach motorowych. Już w pierwszych zawodach, w których czteronapędowe auto tego niemieckiego producenta wzięło udział, zadziwiło świat. Był to szutrowy Rajd Algarve. Audi Quattro wystartowało w nim jeszcze bez homologacji, więc nie liczyło się w ostatecznych wynikach. Był to zwyczajny drogowy model ze stałym napędem quattro i blokadami dyferencjałów.

Mimo wszystko, 30-minutowa przewaga nad oficjalnym zwycięzcą, z jaką Hannu Mikkola ukończył te zawody, wprawiła cały świat w zdziwienie, a inne firmy samochodowe – w zakłopotanie. Przy okazji też wyznaczyła kierunek rozwoju motoryzacji, pokazując, że w temacie zapewnienia jak najlepszej trakcji nie ma nic lepszego od układu 4×4.

Audi quattro

W końcu napęd 4×4 zapewnia następujące korzyści:

• lepsze przyspieszenie
• poprawę trakcji przy ruszaniu z miejsca na każdym rodzaju nawierzchni
• lepszą trakcję podczas przyspieszania i w czasie jazdy po drogach o gorszej nawierzchni (szuter, piasek)
• wyższe bezpieczeństwo podczas jazdy w terenach podgórskich i górach

Obecnie rozróżnia się trzy podstawowe typy napędu 4×4. Dołączany ręcznie napęd na cztery koła, stały napęd 4×4 oraz automatycznie dołączany napęd 4×4. W ostatnim czasie na rynku pojawił się jeszcze jeden typ napędu na cztery koła, czyli układ wykorzystywany w samochodach elektrycznych (TUTAJ poznasz technikę jazdy takimi autami).

Dołączany ręcznie napęd na cztery koła

Obecnie jest on stosowany głównie w pojazdach przeznaczonych do poważnych zadań terenowych, czyli w autach terenowych o klasycznej, ramowej konstrukcji oraz w pick-upach. Dołączany ręcznie napęd na cztery koła przekazuje moment obrotowy silnika w równym stopniu na wszystkie cztery koła, ale niektóre nowoczesne samochody są w stanie rozdzielić niutonometry na koła, które najbardziej tego potrzebują.

Standardowo pojazdy z dołączanym ręcznie napędem na obie osie są wprawiane w ruch przez tylne koła, a aktywacja układu 4×4 następuje zazwyczaj po przesunięciu dźwigni lub wciśnięciu przycisku na desce rozdzielczej. Moment obrotowy z przekładni trafia tutaj do skrzyni rozdzielczej. Stąd jednym wałem jest on kierowany do tylnych kół, natomiast drugi wał napędowy – łączący skrzynię rozdzielczą z mechanizmem różnicowym przedniej osi – napędza przednie koła.

W klasycznych autach terenowych układ ten można było załączać wyłącznie na drogach o gorszej przyczepności. Podczas jazdy po asfalcie należało przełączyć go w tryb 2WD. Niezastosowanie się do tej zasady mogło doprowadzić do przegrzania się napędu, a nawet do uszkodzenia jego podzespołów.

Ale najnowsze generacje dołączanych ręcznie układów 4×4 dają możliwość jazdy na asfalcie z wykorzystaniem napędu obu osi. Przykładem jest obecne wcielenie Jeepa Wranglera (oznaczone jako JL). Dzięki trybowi 4H Auto, także na twardych nawierzchniach może on odpychać się od podłoża za pomocą kół obu osi. To zasługa dodatkowego sprzęgła, zamontowanego w skrzyni rozdzielczej, przekazującego automatycznie niutonometry do przedniej osi w momencie utraty przyczepności (TUTAJ znajdziesz zestawienie aut 4×4 w cenie do 50 tys. zł).

Dołączany ręcznie napęd na cztery koła jest wyposażony w dodatkowe „niskie” przełożenie, zwane reduktorem. Jego zastosowanie nawet 4-krotnie zwiększa moment obrotowy, przekazywany na koła, przy jednoczesnym zmniejszeniu prędkości, rozwijanych przez pojazd. Działa on wyłącznie w przełożeniu terenowym (TUTAJ poznasz szperę).

Najbardziej terenowe wersje samochodów z dołączanym napędem 4×4 korzystają również z blokad mechanizmów różnicowych. Dzięki nim koła tej samej osi poruszają się zawsze z jednakową prędkością, co oznacza, że trafia na nie różna wartość momentu obrotowego. W rezultacie nawet przy całkowitej utracie przyczepności jednego z kół tej samej osi, na drugie jest kierowane tyle momentu obrotowego, że pojazd jest w stanie pojechać dalej.

Zalety:

• wszechstronność (w przypadku najnowszych układów)
• ogromna dzielność w terenie
• możliwość jazdy na podłożu o bardzo słabej przyczepności
• duża zmienność ustawień

Wady:

• wysoka cena
• duży ciężar zwiększa zużycie paliwa
• brak możliwości jazdy na asfalcie z załączonym układem 4×4 (w starszych systemach)
• skomplikowana budowa

Stały napęd na cztery koła

W tym przypadku moment obrotowy cały czas trafia do kół obu osi. Sercem układu jest centralny mechanizm różnicowy, umożliwiający uzyskanie innej prędkości obrotowej dla każdej osi. Ponadto w układzie znajdują się przedni i tylny mechanizm różnicowy, rozdzielający moment obrotowy pomiędzy koła.

Taki rodzaj napędu jest najczęściej stosowany w drogich limuzynach, SUV-ach oraz w nowoczesnych samochodach terenowych (o samonośnej konstrukcji nadwozia). Ze względu na stały i płynny sposób rozdziału momentu obrotowego, stały napęd 4×4 działa bardzo precyzyjnie i płynnie. Dzięki temu w warunkach gorszej przyczepności zapewnia wyjątkowo przewidywalne zachowanie pojazdu na drodze.

Skutkiem ubocznym zastosowania takiego rodzaju napędu jest podwyższone zużycie paliwa – w końcu samochód od podłoża odpycha się nieustannie za pomocą kół obu osi.

W nowoczesnych autach terenowych, wyposażonych w stały napęd 4×4, podobnie jak w przypadku modeli z dołączanym ręcznie układem 4×4, dostępne są blokady przednich i tylnych mechanizmów różnicowych. W takie rozwiązanie wyposażono np. Mercedesa klasy G.

Z kolei aktualne wcielenie Land Rovera Discovery, w którym zastosowane centralny mechanizm różnicowy typu Torsen, oferuje klientom dwa typy układów 4×4. W podstawowym auto ma stały napęd 4×4 z domyślnym rozdziałem momentu obrotowego pomiędzy osie, wynoszącym 42:58% (przód:tył).

Dla kierowców potrzebujących lepszej dzielności w terenie przewidziano wariant z dwubiegową skrzynią rozdzielczą – z wysokim i niskim zakresem przełożeń (reduktorem). Domyślnie moment obrotowy jest dzielony w proporcji 50:50, a różne czujniki w ciągu milisekund oceniają poślizg kół i w razie potrzeby „obdarowują” je odpowiednią dawką niutonometrów. Co ważne, kierowca może w czasie jazdy decydować o zakresie przełożeń (do prędkości 60 km/h).

Zalety:

• optymalna trakcja w każdych warunkach
• płynny rozdział momentu obrotowego
• wyjątkowo przewidywalne działanie

Wady:

• zwiększone zużycie paliwa
• zwiększona masa własna samochodu
• wysokie koszty naprawy

Dołączany napęd na cztery koła

O ile stały napęd na cztery koła zawsze przekazuje moment obrotowy do kół obu osi, o tyle w przypadku dołączanego napędu w większości sytuacji na drodze trafia on do kół jednej osi. Druga oś jest „obsługiwana” dopiero w momencie utraty trakcji.

Zmiana napędu z jednej na dwie osie w takich układach odbywa się automatycznie. Ich sercem jest sprzęgło płytkowe, obłożone licznymi czujnikami (m.in. prędkości obrotowej kół, przyspieszenia, kąta skrętu i innych), z których sygnał przekazywany jest do jednostki sterującej. To właśnie ona decyduje o tym, czy sprzęgło powinno być rozłączone czy załączone.

Dołączany układ 4×4 to obecnie najbardziej popularny typ napędu na cztery koła. Jego największe zalety to prosta konstrukcja, stosunkowo niewysoki dodatkowy ciężar, oszczędność paliwa, poprawa trakcji w każdych warunkach oraz niezawodna konstrukcja (TUTAJ dowiesz się wszystkiego o sprzęgle Haldex).

Najlepszy dołączany napęd na cztery koła to Haldex, stosowany choćby w większości samochodów 4×4 Grupy Volkswagen. W odróżnieniu od innych systemów, sprzęgło płytkowe jest w nim sterowane hydraulicznie, dzięki czemu zostaje ono ściskane ze znacznie większą siłą.

Sprzęgło Haldex

Haldex jest sterowany elektronicznie i załącza się w ciągu kilku milisekund. W najnowszej generacji tego urządzenia, sprzęgło może zostać ściśnięte nawet zanim koła przedniej osi zaczną się ślizgać, np. przy ostrym starcie z miejsca. Poza tym działanie Haldexa najnowszej generacji dla kierowcy okazuje się zaskakująco intuicyjnie, dzięki czemu w zimowych warunkach autem wyposażonym w to rozwiązanie (np. Skodą Octavią 4×4) można jeździć długimi i przewidywalnymi poślizgami.

W przypadku modeli hybrydowych często stosuję się dołączany napęd 4×4 za pomocą dodatkowego silnika elektrycznego, który wprawia w ruch tylne koła. Takie rozwiązanie nie wymaga więc ciężkiego wału napędowego, biegnącego od skrzyni biegów. 

Zalety:

• tańsza alternatywa dla stałego napędu 4×4
• duża niezawodność
• poprawa trakcji w każdych warunkach
• płynne działanie w przypadku najnowszych systemów
• oszczędność paliwa
• duża niezawodność

Wady:

• nie przekazuje stale momentu obrotowego

Napęd 4×4 w autach elektrycznych

Era elektromobilności sprawiła, że wśród napędów napędów na cztery koła pojawił się nowy typ. Jest nim układ stosowany w modelach elektrycznych. W przeciwieństwie do tradycyjnych napędów 4×4, jego konstrukcja okazuje się znacznie mniej skomplikowana.

Otóż za wprawianie w ruch każdej pary kół odpowiada pojedynczy silnik elektryczny. W rezultacie czteronapędowe elektryki mają stały napęd na obie osie, a o rozdziale momentu obrotowego pomiędzy osiami decyduje elektronika.

Elektryczny napęd obu osi otwiera kolejną możliwość – podobną do tej, jaką zapewnia np. BMW M5 F90. Także i tutaj, w zależności od trybu jazdy (tak jest np. w czteronapędowych odmianach Porsche Taycana), auto może się odpychać od podłoża za pomocą tylko dwóch kół. W Taycanie dzieje się tak w trybie Eco, w którym moment obrotowy trafia wyłącznie do przedniej osi. Cel? Oszczędność energii elektrycznej.

Zalety:

• bardzo dobra trakcja
• płynne działanie
• prosta konstrukcja
• możliwość przełączenia w napęd na jedną oś

Wady:

• wysoka cena
• duża dodatkowa masa

Podsumowanie

Bez wątpienia napęd na cztery koła poprawia trakcję i przyspieszenie. Dzisiaj układ 4×4 bez względu na to, czy jest to Torsen, Haldex, czy jeszcze co innego,  zajmuje mało miejsca, jest lekki i łatwy w obsłudze. Praktycznie wszystko za kierowcę robi komputer, a zwłoka, z którą niutonometry trafiają na poszczególne osie lub koła jest praktycznie niewyczuwalna.

Sytuację zmienia także napęd elektryczny, dzięki któremu układ 4×4 może być realizowany za pomocą osobnych silników elektrycznych. Właśnie dlatego napęd na cztery koła, kiedyś ekstrawagancja i drogi dodatek, dzisiaj w samochodach staje się coraz popularniejszy.