W samochodach z napędem 4x4 moc silnika jest przekazywana na wszystkie koła. Dzięki temu pojazd dysponuje wyższą przyczepnością niż auta z napędem na jedną oś. W efekcie napęd 4x4 może zapewnić wysoki poziom bezpieczeństwa, a także zaoferować najlepsze możliwości jezdne w terenie. Wraz z rozwojem motoryzacji eksperymentowano z różnymi metodami efektywnego przeniesienia mocy na wszystkie koła. Wyjaśniamy, jak działa napęd 4x4 i jakie rodzaje tego napędu są obecnie stosowane.
Spis treści:
1. Czym jest napęd na cztery koła i dlaczego jest tak skuteczny – zalety napędu 4x4
2. Rodzaje napędu 4x4 – w jaki sposób moment obrotowy może trafiać na wszystkie koła jednocześnie?
2.1 Stały napęd na cztery koła – do samochodów drogowych o dużej mocy, ale nie zawsze w teren
2.2 Ręcznie dołączany napęd 4x4 – sztywne połączenie do zadań terenowych bez centralnego mechanizmu różnicowego
2.3 Automatycznie dołączany napęd na cztery koła – dla poprawy bezpieczeństwa podczas codziennej jazdy
2.4 Dodatkowy silnik napędzający drugą oś – hybrydowy napęd na cztery koła
3. Najnowocześniejsze rozwiązania stosowane w napędach 4x4
4. Range Rover Evoque PHEV z napędem Electric Rear Axle Drive
5. Range Rover Sport – napęd na wszystkie koła z systemem IDD oraz dwustopniową skrzynią rozdzielczą
5.1 Funkcja odłączania napędu Driveline Disconnect – dla bardziej ekologicznej jazdy
5.2 Funkcja odłączania napędu Driveline Disconnect – dla bardziej ekologicznej jazdy
5.3 Skrzynia rozdzielcza z systemem Torque On Demand – przekazanie całego momentu obrotowego na przednią oś
6. Intelligent Driveline Dynamics – napęd przewidujący sytuację na drodze
7. Najczęściej zadawane pytania
7.1 Czym różni się napęd AWD od 4WD?
7.2 Jaką rolę pełni centralny mechanizm różnicowy?
7.3 Do czego służy blokada mechanizmu różnicowego?
7.4 Czym jest reduktor?
7.5 Co to jest wykrzyż?
Czym jest napęd na cztery koła i dlaczego jest tak skuteczny – zalety napędu 4x4
Przyczepność samochodu jest zależna od powierzchni styku opon z podłożem. Samochody z napędem na jedną oś – 2WD, przenoszą moc wyłącznie na przednie lub tylne koła. Im więcej momentu obrotowego trafia na koła, tym łatwiej utracą one przyczepność. W samochodzie z napędem 4x4 moc jest rozdzielana na przednie oraz tylne koła w określonych proporcjach. Rozdzielenie mocy pomiędzy przód i tył pozwala łatwiej przenieść na nawierzchnię wysoki moment obrotowy. Dzieje się tak, dzięki wykorzystaniu przyczepności wszystkich kół samochodu.
Przyczepność, jaką dysponują samochody 4x4, umożliwia im skuteczniejsze poruszanie się poza drogami utwardzonymi. Jazda w terenie wymaga napędu na cztery koła, ponieważ na nawierzchni błotnistej, trawiastej czy żwirowej, przyczepność dostępna dla każdego z kół jest dużo niższa niż na asfalcie.
Na drodze asfaltowej napęd na wszystkie koła przekłada się na poprawę przyczepności podczas dynamicznego przyspieszania i jazdy w zakrętach. Ułatwia również poruszanie się zimą – pozwala sprawniej przemieszczać się po ośnieżonych i oblodzonych drogach. Aby określić, jaki typ napędu na cztery koła lepiej sprawdzi się w terenie, a jaki na asfalcie, należy przyjrzeć się jego rodzajom.
Rodzaje napędu 4x4 – w jaki sposób moment obrotowy może trafiać na wszystkie koła jednocześnie?
Wyróżnia się trzy główne typy napędu 4x4 – stały, dołączany ręcznie oraz dołączany automatycznie. Postępująca w motoryzacji elektryfikacja pozwoliła również stworzyć samochody 4x4, w których napęd na przód jest dostarczany z silnika spalinowego, a na tylne koła z elektrycznego.
Stały napęd na cztery koła – do samochodów drogowych o dużej mocy, ale nie zawsze w teren
Stały napęd na cztery koła oferuje bardzo dobre parametry podczas jazdy na asfalcie – zarówno suchym, jak i mokrym. W stałym napędzie 4x4 stosuje się centralny mechanizm różnicowy. Dzięki temu możliwe jest szybkie pokonywanie zakrętów, w których poszczególne koła pokonują różną odległość. Mechanizm różnicowy jest niezbędny, gdyż w zakręcie w praktyce tylna oś porusza się po innym torze niż przednia (mniejszy promień zakrętu). Przy połączeniu osi na sztywno, bez mechanizmu różnicowego, co najmniej jedno koło musiałoby w zakręcie zostać wprowadzone w poślizg. Koła na poszczególnych osiach także poruszają się po różnych torach – np. podczas skrętu w prawo, lewe tylne koło pokonuje większy dystans niż prawe. Niezbędne jest więc zastosowanie także osiowych mechanizmów różnicowych.
Mechanizm różnicowy staje się jednak problemem w terenie. Jeśli jedna oś straci przyczepność, napęd (ze względu na niższy opór) będzie przekazywany właśnie na oś będącą w poślizgu. Podobnym ryzykiem obarczone jest także działanie mechanizmów różnicowych znajdujących się na osiach. Aby stały napęd 4x4 mógł sprawdzić się w terenie, konieczne są dodatkowe rozwiązania. Mogą to być blokady mechanizmów różnicowych lub systemy zatrzymujące wybrane koła poprzez układ hamulcowy. W przeciwnym wypadku, gdy jedno z kół utknie na bardzo śliskiej nawierzchni lub oderwie się od podłoża, samochód nie ruszy. Pomimo iż pozostałe koła dysponują pewnym zapasem przyczepności, oderwane od nawierzchni koło będzie się ślizgać bądź obracać w powietrzu. Po aktywowaniu blokady mechanizmu różnicowego tylny i przedni wał nie będą mogły obracać się z różną prędkością> wpłynie to także na moment obrotowy, który zostanie przeniesiony na wszystkie koła.
Ręcznie dołączany napęd 4x4 – sztywne połączenie do zadań terenowych bez centralnego mechanizmu różnicowego
Ręcznie dołączany napęd 4x4 jest rozwiązaniem stosowanym od dawna w samochodach terenowych. W tym rodzaju napędu proporcje mocy przekazywanej na przednie i tylne koła również są stałe np. 50/50. Sztywne połączenie bez mechanizmu różnicowego sprawia, że osie poruszają się z tą samą prędkością. Zapewnia to ciągłe utrzymanie przeniesienia mocy zarówno do przodu, jak i do tyłu - niezależnie od tego na jak przyczepnej nawierzchni znajdują się koła. Dzięki temu samochody z tym rodzajem napędu mogą zachować skuteczność w wymagających warunkach terenowych.
Brak centralnego mechanizmu różnicowego sprawia jednak, że podczas jazdy po asfalcie w układzie dochodzi do wysokich naprężeń. W rezultacie ryzyko awarii i zużycia (szczególnie opon) jest dosyć wysokie. Dlatego napęd 4x4 jest dołączany ręcznie po zjechaniu z drogi asfaltowej w teren. W trakcie jazdy po szosie przednia oś powinna być odłączona, a samochód pozostać tylnonapędowy.
Automatycznie dołączany napęd na cztery koła – dla poprawy bezpieczeństwa podczas codziennej jazdy
Automatycznie dołączany napęd na cztery koła to rozwiązanie, które pozwala wykorzystać zalety napędu 4x4 bez konieczności ręcznej zmiany ustawień przez kierowcę. Jego wyjątkową cechą jest brak stałych proporcji przenoszonego momentu obrotowego. Podział momentu obrotowego jest zmienny i może przyjmować różne wartości. W trakcie spokojnej jazdy jest on przekazywany na jedną oś, co pozwala ograniczyć zużycie paliwa.
Po utracie przyczepności kół napędowych część momentu jest przenoszona na drugą oś. Uczestniczy w tym wiskotyczne sprzęgło wielopłytkowe – zmiana prędkości obrotowej pomiędzy przednią i tylną osią powoduje zagęszczenie oleju silikonowego, w którym pracują płytki sprzęgła. W rezultacie obniża się swoboda ich niezależnego obrotu, a wał wejściowy zostaje sprzęgnięty z wyjściowym.
Klasyczny automatycznie dołączany napęd na wszystkie koła jest jednak dosyć powolny w działaniu. Dlatego w nowoczesnych układach tego typu stosuje się inne sprzęgła wielopłytkowe, sterowane elektroniką. Na podstawie odczytu z czujników system przewiduje utratę przyczepności, mogąc aktywować sprzęgło wielopłytkowe z wyprzedzeniem, jeszcze przed poślizgiem kół.
Dodatkowy silnik napędzający drugą oś – hybrydowy napęd na cztery koła
Osobnym rodzajem automatycznie dołączanych napędów na wszystkie koła są układy, wykorzystujące silnik elektryczny do napędu kół tylnych. W nich również odczyty z czujników decydują o tym, kiedy należy uruchomić napęd tylnej osi. Tutaj realizowany przez silnik elektryczny. Wyjątkową zaletą tego rozwiązania jest nie tylko redukcja emisji zanieczyszczeń do atmosfery, ale również oszczędność miejsca wewnątrz samochodu.
W przypadku zastosowania dodatkowego silnika elektrycznego do napędzania tylnych kół, nie trzeba łączyć ze sobą przedniej i tylnej osi za pomocą wału oraz skrzyni rozdzielczej. Dzięki temu zbędny staje się tunel biegnący przez niemal całą długość pojazdu i zajmujący miejsce na nogi.
Najnowocześniejsze rozwiązania stosowane w napędach 4x4
Nowoczesne rozwiązania stosowane w napędach na cztery koła obejmują nie tylko redukcję zanieczyszczeń i oszczędność miejsca w samochodzie. W przypadku klasycznych napędów 4x4 udaje się coraz bardziej zatrzeć granicę pomiędzy możliwościami on i off road. Dzięki temu można połączyć w jednym samochodzie zarówno emocjonujące prowadzenie na asfalcie, jak i możliwość jazdy w naprawdę wymagającym terenie. Bardzo dobrze widać to na przykładzie marki Land Rover – producenta słynącego z tworzenia legendarnych napędów 4x4.
W ofercie marki można znaleźć między innymi model Range Rover Evoque PHEV – innowacyjną hybrydę z silnikiem elektrycznym na tylnej osi oraz sportowego SUV-a Range Rover Sport PHEV z zaawansowanym napędem na wszystkie koła i dwustopniową skrzynią rozdzielczą.
Range Rover Evoque PHEV z napędem Electric Rear Axle Drive
W Range Roverze Evoque PHEV zastosowano układ napędowy Electric Rear Axle Drive. Łączy on benzynowy silnik o mocy 200 KM napędzający przednie koła oraz zespół silnika elektrycznego o mocy 109 KM przekazujący napęd na tylną oś. Do ładowania silnika elektrycznego wykorzystywana jest energia z zewnętrznego źródła – gniazdka 230V, ładowarki AC lub DC. Część energii jest również odzyskiwana podczas hamowania i zwalniania. Silnik aktywuje się automatycznie w momentach, w których energia elektryczna może być wykorzystana najskuteczniej np. podczas ruszania czy wyprzedzania. Samochód umożliwia również jazdę w trybie elektrycznym bez użycia napędu spalinowego.
Akumulator Range Rovera Evoque PHEV jest umieszczony pod podłogą samochodu. Jego pojemność to 15 kWh. Zasięg samochodu w trybie elektrycznym może wynosić nawet około 60 kilometrów. Odpowiednie połączenie pracy silnika elektrycznego ze spalinowym pozwala natomiast osiągnąć spalanie na poziomie nawet 1,4 l/100 km oraz znacznie obniżyć emisję CO2.
Moc układu napędowego w Range Roverze Evoque PHEV przekracza 300 KM, co zapewnia wysokie parametry drogowe – przyspieszenie 0-100 w zaledwie 6,4 s. Możliwości tego napędu na cztery koła zostały osiągnięte również dzięki podzespołom, takim jak zespół BiSG – połączenie rozrusznika i alternatora. To rozwiązanie umożliwiające gładki start silnika benzynowego oraz zasilanie układu wysokiego napięcia. Zastosowano również układ falownika, pozwalający na współpracę systemu BiSG i akumulatora. Dzieje się tak poprzez przekształcanie prądu stałego na zmienny i odwrotnie.
Napęd Land Rovera Evoque PHEV przyczynia się do redukcji negatywnego wpływu samochodu na środowisko. Pozwala jednocześnie zachować zalety napędu 4x4 zarówno na suchej, jak i mokrej nawierzchni. W Range Roverze Sport zastosowano natomiast układ pozwalający na wyjątkowe połączenie parametrów sportowych oraz niespotykanych możliwości terenowych.
Range Rover Sport – napęd na wszystkie koła z systemem IDD oraz dwustopniową skrzynią rozdzielczą
Napęd na wszystkie koła zastosowany w Range Roverze Sport – także w wariantach hybrydowych PHEV – jest obsługiwany przez system Intelligent Driveline Dynamics. System ten wykorzystuje informacje z czujników umieszczonych przy każdym kole. Mierzą one poziom przyczepności 100 razy na sekundę. Na podstawie odczytów czujników moment obrotowy jest rozdzielany z wyprzedzeniem, jeszcze zanim dojdzie do utraty przyczepności. System IDD kontroluje proporcje podziału momentu pomiędzy przednią i tylną osią, a także w obrębie tylnej osi. Do połączenia przedniej i tylnej osi wykorzystywane jest mokre sprzęgło wielopłytkowe.
Zastosowanie sprzęgła wielopłytkowego pozwala automatycznie rozdzielać moment obrotowy między osiami. System IDD w zależności od sytuacji na drodze lub w terenie może przenieść do 100% momentu na jedną oś, lub rozdzielić go pomiędzy wszystkie koła. W rezultacie kierowca może wykorzystać maksymalną przyczepność, dostępną dla poszczególnych kół.
IDD umożliwia nie tylko płynną zmianę proporcji momentu obrotowego rozdzielanego pomiędzy osiami. Sprzęgło wielopłytkowe może zostać również załączone całkowicie. W efekcie Range Rover Sport może zapewnić w pełni efektywne wykorzystanie przyczepności kół na asfalcie, ale również w terenie. System IDD w Range Roverze Sport współpracuje także z innymi rozwiązaniami, które przekładają się na możliwości samochodu.
Funkcja odłączania napędu Driveline Disconnect – dla bardziej ekologicznej jazdy
Podczas spokojnej jazdy, gdy napęd na wszystkie koła nie jest konieczny, system IDD wykorzystuje funkcję Driveline Disconnect. Elementy układu napędowego osi przedniej zostają wówczas odłączone od skrzyni biegów oraz od kół. Dzięki temu obniża się opór wewnątrz układu, zmniejszając tym samym niepotrzebną utratę energii.
W trakcie jazdy w trybie Comfort lub Eco przednie koła pozostają połączone z układem napędowym w trakcie postoju,. Zapewnia to maksymalnie skuteczne wykorzystanie mocy podczas ruszania. Funkcja Driveline Disconnect jest dostępna podczas jazdy w stabilnych warunkach drogowych, gdy ryzyko poślizgu jest niewielkie. Jeżeli te wymagania zostaną spełnione, to system IDD aktywuje ją po przekroczeniu 35 km/h. Podczas jazdy w trybie Terrain Response oraz przy niskiej temperaturze otoczenia, układ napędowy przedniej osi pozostaje stale podłączony, aby zapewnić najlepszą trakcję oraz stabilność.
Działanie funkcji Driveline Disconnect opiera się na module rozłączania osi przedniej FADM – Front Axle Disconnect Module. Sprzęgło kłowe umieszczone w module jest odłączane od mokrego sprzęgła wielopłytkowego. Dzięki temu pozwala na spoczynek przedniej osi, gdy napęd na wszystkie koła nie jest wymagany. System IDD monitoruje takie parametry jak prędkość obrotowa kół i moment obrotowy układu napędowego. Na podstawie tych danych może określić, czy przednie koła powinny być podłączone do układu, czy też jest to zbyteczne.
Gdy system IDD wykryje, że należy wykorzystać napęd przednich kół, połączy je z układem w sposób niedostrzegalny dla kierowcy. Przedni wał napędowy zostanie wówczas przyspieszony przez mokre sprzęgło hydrauliczne, co pozwala na płynne załączenie sprzęgła kłowego.
Dzięki odłączeniu przedniej osi system pozwala ograniczyć straty w energii nawet do 50%, gdy napęd na wszystkie koła nie jest wymagany. Przyczynia się to ograniczenia emisji CO2 przez samochód o nawet 3 g/km, w porównaniu ze stale działającym napędem na cztery koła. Dodatkowo funkcja Driveline Disconnect pozwala wykorzystać zalety napędu na tylną oś podczas jazdy na suchej nawierzchni. Po aktywowaniu Driveline Disconnect 90% mocy zostaje przekazane na tylną oś, dzięki czemu Range Rover Sport zapewnia prawdziwie wyrafinowane odczucia z prowadzenia.
Blokada napędu AWD – zabezpieczenie wszystkich kół na pochyłościach
System IDD w Range Roverze Sport współpracuje także z blokadą napędu AWD, aktywowaną podczas postoju. Dzięki temu zapadka postojowa oraz elektroniczny hamulec postojowy zabezpieczają zarówno przednią, jak i tylną oś po zaparkowaniu samochodu. Odróżnia go to od typowych napędów na cztery koła z dołączanym napędem na przednią oś. T takich to napędach podczas postoju połączenie między przednią i tylną osią, nie jest aktywne i hamulce utrzymują wyłącznie tylne koła.
Dzięki blokadzie napędu AWD, po zaparkowaniu samochodu na pochyłości o śliskiej nawierzchni, spada ryzyko poślizgu i zsunięcia się pojazdu ze wzniesienia. Blokada aktywuje się automatycznie po wybraniu biegu postojowego. Działa również po wybraniu terenowych trybów jazdy w systemie Terrain Response. Po wybraniu innego biegu niż postojowy blokada zostaje wyłączona, pozwalając na normalną pracę napędu na wszystkie koła.
Skrzynia rozdzielcza z systemem Torque On Demand
W nowym Range Roverze Sport zastosowano dwuprzełożeniową skrzynię rozdzielczą, która zastąpiła elektrycznie sterowany mechanizm różnicowy o ograniczonym poślizgu. Skrzynia współpracuje z mokrym sprzęgłem centralnym, pozwalającym na zmienny rozdział momentu obrotowego na tył i przód. Dzięki temu samochód nie jest ograniczony do stałych proporcji podziału momentu. System IDD stale kontroluje jego rozkład w zakresie od 50/50 na przód i tył do 100% momentu na tylne koła.
W wymagających warunkach terenowych system IDD może aktywować funkcję Torque On Demand. Funkcja ta pozwala wykorzystać maksymalną dostępną przyczepność przy wysokim wykrzyżu osi. Podczas jazdy na niskim przełożeniu w skalistym terenie, sprzęgło centralne może zostać zablokowane i przenieść 100% momentu obrotowego oś przednią. Jeżeli system wykryje, że przednie koła dysponują najwyższą trakcją, wykorzysta hydraulicznie uruchamiane mokre sprzęgło. Po aktywowaniu sprzęgła moment zostanie przeniesiony z osi tylnej na przednią w zaledwie 165 milisekund.
Niskie przełożenie skrzyni w modelu Range Rover Sport można aktywować za pomocą odpowiedniego przycisku. Gdy samochód jest zatrzymany a skrzynia biegów ustawiona na bieg neutralny. Włączenie niskiego przełożenia uruchamia przełożenie redukcyjne 2,93:1, co obniża prędkość jazdy i znacznie podnosi parametry samochodu w trudnych warunkach terenowych. Ponowne ustawienie wysokiego przełożenia po pokonaniu przeszkód w terenie jest możliwe w trakcie jazdy, z prędkością do 56 km/h.
Intelligent Driveline Dynamics – napęd przewidujący sytuację na drodze
Napęd Intelligent Driveline Dynamics, z którego korzysta Range Rover Sport, zarządza proporcjami momentu obrotowego trafiającego na przednie i tylne koła samochodu. Praca napędu pozwalają wykorzystywać pełnię możliwości samochodu zarówno na asfalcie, jak i w terenie. Zalety płynące z takiego rozwiązania to:
- wyższa stabilność i lepsza kontrola na śliskiej nawierzchni,
- system czuwający nad rozdziałem mocy nie wymaga od kierowcy żadnych działań podczas codziennej jazdy,
- charakterystyka prowadzenia tylnonapędowego samochodu w warunkach dobrej przyczepności przy zachowaniu stałej dostępności napędu na wszystkie koła, uruchamianego w razie potrzeby,
- lepsze przyspieszenie i wyższa pewność prowadzenia w zakrętach,
- niższe zużycie paliwa w stosunku do konwencjonalnego napędu na cztery koła.
System IDD jest połączony z modułem Terrain Response. Pozwala to kierowcy w pewnym stopniu konfigurować ustawienia przeniesienia napędu w warunkach terenowych. IDD monitoruje dane wprowadzane przez kierowcę i porównuje je z odczytami z czujników w celu dobrania optymalnego podziału momentu obrotowego.
Do pracy systemu IDD wykorzystywany jest algorytm obliczający, w którym momencie może nastąpić najbliższy spadek przyczepności każdego z kół. W rezultacie część momentu obrotowego może zostać przekazana na drugą oś z wyprzedzeniem, co pozwala uniknąć utraty przyczepności. Wyjątkową zaletą tego rozwiązania jest możliwość przeniesienia pełnego momentu obrotowego na dowolną oś, w układzie napędowym połączonym z silnikiem V8 o dużej mocy.