System czterech kół skrętnych – czym jest, jak działa?

Zapewnia lepsze reakcje i wyższą stabilność prowadzenia. Potrafi wirtualnie obniżyć masę własną i wymiary samochodu. Czym jest i jak działa system czterech kół skrętnych?

Współczesne samochody z generacji na generację rosną, są coraz bardziej napakowane elektroniką i różnego rodzaju wyposażeniem, a co za tym wszystkim idzie stają cię coraz cięższe. Częściowo wynika to z konieczności spełnienia coraz ostrzejszych norm bezpieczeństwa, a częściowo – z elektryfikacji. Hybrydy, a w szczególności hybrydy plug-in, o elektrykach nie wspominając, są dociążone zestawem akumulatorów, który często negatywnie wpływa na ich zachowanie na drodze. Co prawda środek ciężkości jest w tych ostatnich bardzo nisko, ale to cały czas ponad dwie tony na kołach.

Ale na leniwe prowadzenie wynikające z wysokiej masy własnej i długich nadwozi jest pewien sposób. Sposób znany w historii motoryzacji od wielu lat. To system czterech skrętnych kół.

Początki

Układ tylnych kół skrętnych jest niemal tak stary jak motoryzacja. Został wynaleziony w 1893 roku przez inżyniera Josepha Diplocka, a zasada jego działania do tej pory się nie zmieniła. Opiera się na mechanizmie umieszczonym przy tylnej osi, które skręcają razem z kołami przedniej osi. W zależności od prędkości jednak wykonują skręt w tym samym lub przeciwnym kierunku.

Ruch tylnych kół w układzie czterech kół skrętnych jest dokładnie taki sam w każdym systemie każdego producenta. Różny jest jedynie kąt skrętu oraz mechanizm, który skręt powoduje. Przy niskich prędkościach, gdy kierowca skręca koła przedniej osi, tylne skręcają w przeciwną stroną. Po co? By zmniejszyć promień skrętu manewrując np. ponad 5-metrową limuzyną na parkingu.

Z kolei przy wyższym tempie jazdy koła obu osi obracają się w tym samym kierunku, co pozytywnie wpływa na stabilność pojazdu. Takie działanie sprawia choćby, że duże i ciężkie Porsche Panamera na krętej drodze jest w stanie niemal dotrzymać kroku bardziej kompaktowemu, sportowemu 911 (TUTAJ przeczytasz o Porsche 928).

System systemowi nierówny

System czterech skrętnych kół w samochodzie osobowych został wykorzystany po raz pierwszy w aucie o nazwie Nash Quad, a nieco później w wojskowej wersji Mercedesa 170VL. Od lat 30-tych do 70-tych niewiele się w temacie działo. Część inżynierów uznawała, że koła muszą skręcać w tę samą stroną, inni, że w przeciwną. Dopiero połączenie obu idei zaowocowało ponownym rozwój systemu czterech skrętnych kół.

Istnieją różne rodzaje systemu czterech kół skrętnych. Niektórzy producenci stosują wyłącznie układy mechaniczne, jak np. nissanowski HICAS, ale większość wykorzystuje układy elektromechaniczne. Są to Audi, Porsche czy Ferrari albo Cadillac, korzystające z systemów dostarczanych przez ZF.

Również te dwa systemy działają praktycznie tak samo, zmieniając zbieżność kół tylnych, ale różnią się sposobem uruchamiania. W systemie mechanicznym, takim jak HICAS Nissana, który nie był stosowany w Nissanach od modelu GT-R R34, do sterowania kołami wykorzystywano układ hydrauliczny zasilany przez pompę wspomagania kierownicy. Następnie za pomocą czujników prędkości określano, w którą stronę i jak mocno będą się obracać tylne koła. Podobny system zastosowano w modelu Prelude Si 4WS Hondy.

Obecnie stosowane systemy czterech kół skrętnych są znacznie bardziej zaawansowane niż wcześniejsze konstrukcje. Sterowane przez ECU i z wykorzystaniem szeregu czujników, oferują bardziej precyzyjne ustawienie kół oraz szerszy sposób działania. Kąt skrętu tylnych kół może wynieść bowiem od 1 do aż 15 stopni.

System czterech kół skrętnych Nissan HICAS

Choć HICAS firmy Nissan  jest znany przede wszystkim ze stosowania w modelu Skyline GT-R, został on użyty już wcześniej. Zaprezentowany w 1985 roku, trafił do modelu Skyline GTS z 1986 roku.

System HICAS opracowano w firmie Nissan przez ojca Skyline’a – Shin’ichiro Sakuraia. Zanim trafił on do tej japońskiej marki, był zatrudniony w firmie Prince, która została przejęta przez Nissana. Pan Sakuraia był nie tylko genialnym inżynierem. Znano go również ze względu na fakt, że potrafił niezwykle trafnie dobierać słowa.

Naganori Ito, czyli osoba, którą Sakurai wybrał na swojego następcę, opisał kiedyś, czego jego mentor oczekiwał od systemu HICAS:

„Podstawową filozofią Skyline’a jest zapewnienie niezawodności i wyjątkowych osiągów. Ideałem jest samochód całkowicie wierny intencjom kierowcy. To tak, jak koń i jeździec stają się jednością, gdy jeździec siedzi na grzbiecie konia, a koń jest w ruchu. Koń wytwarza napęd, odpychając się tylnymi kopytami i wykorzystując moment obrotowy, aby poruszać się do przodu. Jest to całkiem naturalne. Jest to dobry przykład układu napędowego tylnych kół w samochodach. Jeśli jednak przyjrzymy się bliżej ruchowi konia, zauważymy, że również odpycha się on od podłoża przednimi kopytami, a także kontroluje kierunek swojego ruchu za pomocą tylnych nóg. Aby to odwzorować, samochody potrzebują napędu na cztery koła i układu kierowniczego na cztery koła. Taką funkcję pełni system HICAS”.

Wcześniejsze wersje systemu HICAS wykorzystywały hydraulikę do kierowania tylnymi kołami. Układ hydrauliczny był zasilany przez pompę wspomagania układu kierowniczego i wykorzystywał czujniki prędkości do określania, jak mocno i w jakim kierunku należy skręcać tylne koła.

W późniejszych wersjach, zwanych Super HICAS, z tyłu zastosowano siłownik elektryczny, dzięki czemu układ był znacznie lżejszy. System Super HICAS wykorzystywał dane z czujnika prędkości i czujnika kąta skrętu kierownicy do określenia prędkości wchodzenia w zakręt i dostosowywał kąt skrętu kół tylnych do warunków jazdy. Kierowanie tylnymi kołami w systemach HICAS i Super HICAS było ograniczone do około jednego stopnia w każdym kierunku. Czyli niewiele.

System czterech kół skrętnych w Hondzie Prelude Si 4WS

Podstawowym założeniem systemu czterech kół skrętnych w Prelude Si 4WS było pragnienie Hondy, aby „przenieść prowadzenie i manewrowość samochodu w nowy wymiar”. Honda rozpoczęła prace nad systemem 4WS w modelu Prelude w 1977 roku. W ich wyniku powstał układ czterech kół skrętnych zależny od kąta skrętu kierownicy. Czysto mechaniczny układ kierowniczy Prelude wykorzystywał dwie przekładnie kierownicze – jedną z przodu i jedną z tyłu, z wałem centralnym mechanicznie łączącym obie przekładnie.

Jak to działało? Kiedy kierowca skręca kierownicą, mechanizm zębatkowy w przedniej przekładni kierowniczej powoduje ruch zębatki na boki, co powoduje kierowanie przednimi kołami. Jednocześnie obraca się wałek zębnika wyjściowego za pośrednictwem zębatki umieszczonej w przekładni. Ten wyjściowy wałek zębnika przekazuje obrót kierownicy do tylnej przekładni kierowniczej za pośrednictwem wałka centralnego. Drążek skośny wewnątrz tylnej przekładni kierowniczej porusza się w kierunku osiowym, aby kierować tylnymi kołami za pośrednictwem drążków kierowniczych (TUTAJ dowiesz się wszystkiego o wyważaniu kół).

W przypadku skrętu kierownicy o kąt mniejszy niż około 140 stopni od pozycji jazdy na wprost, tylne koła poruszają się w tym samym kierunku. W przypadku kątów większych niż 140 stopni, względny ruch z tyłu stopniowo i płynnie zmniejsza się, a w końcu koła skręcają w przeciwnym kierunku. Przekładnia kierownicza tylna zawiera więc mechanizm, który stopniowo odwraca kierunek ruchu wyjściowego w odpowiedzi na wielkość sygnału wejściowego układu kierowniczego.

Z mechanicznego punktu widzenia, gdy kierownica jest początkowo skręcona z pozycji jazdy na wprost, tylne koła skręcają w tym samym kierunku co przednie. Kiedy jednak zwiększymy siłę nacisku na kierownicę i obrócimy ją o więcej niż określoną wartość (około 240 stopni), tylne koła zaczną skręcać w przeciwnym kierunku (TUTAJ przeczytasz o układzie Transaxle).

Kiedy w 1987 roku amerykański magazyn „Road & Track” testował model Prelude Si 4WS, w slalomie wyprzedził on Porsche i Ferrari. System 4WS w Prelude był stosowany przez Hondę w dwóch kolejnych generacjach, chociaż ostatni wariant oferowano tylko w Japonii i tylko w modelach Si i SiR.

Kto stosuje system czterech kół skrętnych?

Obecnie liczni producenci oferują systemy czterech kół skrętnych. Są to:

• Acura (TLX, RLX)
• Audi (A6, A7, A8, Q7, Q8)
• Bentley (Flying Spur)
• BMW (X5, X6, X7, seria 5, seria 6, seria 7, seria 8)
• Cadillac (CT6)
• Ferrari (F12 Superfast, GTC4Lusso)
• Ford (F-150)
• Genesis (G80)
• Lamborghini (Aventador, Urus)
• Lexus (LC, LS, RC)
• Mercedes (AMG GT R, EQS, klasa S)
• Porsche (911, Cayenne, Panamera, Taycan)
• Renault (Austral, Espace, Megane RS)
• Volkswagen (Touareg)

Zalety i wady systemu 4 kół skrętnych

Zalety:

• lepsze reakcja układu kierowniczego
• wyższa stabilność w zakrętach
• mniejszy promień skrętu
• wysoka stabilność na wprost

Wady:

• cena
• większe prawdopodobieństwo wystąpienia problemów technicznych
• niektóre systemy zapewniają mało naturalne odczucia zza kierownicy

A gdyby tak w abonamencie?

Na niecodzienny pomysł wpadli menadżerowie Mercedesa. W modelu EQS standardowo system potrafi skręcić tylne koła o 4,5 stopnia. To niewiele. Jeśli nie mieścisz się do swojego garażu i potrzebujesz większego skrętu, wystarczy, że opłacisz abonament w wysokości niespełna 500 euro na rok i z 4,5 robi się 10 stopni. Dzięki temu manewrowanie limuzyną mierzącą ponda 5 metrów 20 cm staje się dziecinne proste.

Cztery koła skrętne w ciężarówkach

W samochodach osobowych system czterech skrętnych kół nie jest wykorzystywany masowo. Trudno się dziwić. To dodatkowe kilogramy i dodatkowy układ, który z czasem może płatać figle. Tak naprawdę ma sens w naprawdę dużych i ciężkich autach lub tych o zacięciu sportowym.

O ile więc w samochodach osobowych to niecodzienne rozwiązania, tak w autobusach i samochodach ciężarowych wręcz przeciwnie. To właśnie tam umiejętność sprawnego manewrowania jest momentami bezcenna, dlatego producenci ciężarówek rozwijają go od lat.