Rozwój napędu na cztery koła – od klasyki do automatyki [część 1]

Klasyczne układy przeniesienia napędu powoli odchodzą do lamusa. W dzisiejszych autach osobowych ze świecą szukać rozwiązań znanych sprzed 20 czy 30 lat ze skrzynią rozdzielczą i dołączanym ręcznie napędem przedniej osi. To, co jeszcze znajdziemy w użytkowych pickupach, w samochodach terenowych i typu SUV już dawno przeszło do historii. W jakim kierunku zmierzają układy napędowe? Czy są coraz lepsze czy wręcz przeciwnie? Czy producenci rzeczywiście idą na łatwiznę proponując klientom protezy mechanizmów różnicowych i blokad? W sposób maksymalnie przystępny wytłumaczę Wam o co chodzi z różnicami pomiędzy konstrukcjami napędów i czym się różni napęd stały od dołączanego, a także dlaczego tak powszechnie stosuje się proste układy ze sprzęgłem wielotarczowym.

Najprostszym i najwcześniej, powszechnie stosowanym rodzajem napędu 4x4 jest tzw. napęd dołączany ręcznie. Samochód z takim rodzajem napędu musi mieć skrzynię rozdzielczą, zwaną też potocznie reduktorem*, co nie oznacza, że musi mieć ona biegi terenowe. Jednozakresowe skrzynie rozdzielcze również nazywa się reduktorem, choć nie redukują przełożenia. Jest to nic innego jak druga przekładnia zamontowana za skrzynią biegów, której podstawowym zadaniem jest rozdzielenie/przeniesienie napędu na obie osie. Samochód z klasycznym napędem 4x4 po drogach utwardzonych jeździ z napędem na tylną oś, a gdy zaistnieje potrzeba, kierowca dźwignią może uruchomić napęd przedniej osi. Wewnątrz skrzyni rozdzielczej zostają sprzęgnięte wały napędowe przekazujące napęd na tylną i przednią oś. Napęd wychodzący na przednią oś trafia na przedni wał napędowy najczęściej za pośrednictwem łańcucha.

Tak prosty i skuteczny zarazem układ napędowy stosowano powszechnie właściwie jeszcze w nowym tysiącleciu i stosuje się go do dziś, głównie w użytkowych pickupach, ale poddano go delikatnym modyfikacjom. Przede wszystkim klasyczne dźwignie zastąpiono przyciskami lub pokrętłami, co z kolei pociągnęło za sobą wprowadzenie układów elektrycznych dołączających napęd nie wtedy, gdy chciał tego kierowca, ale wtedy, gdy pozwalały na to warunki. Pojawiła się tym samym możliwość płynnego włączania napędu na cztery koła podczas jazdy.

Klasyka już w latach 90. zaczęła być wypierana przez tzw. stały napęd na cztery koła, który ma wyraźną przewagę, zwłaszcza na twardych nawierzchniach. Jest to przede wszystkim możliwość jazdy z napędem na cztery koła w każdych warunkach dzięki centralnemu mechanizmowi różnicowemu. Prekursorami w stosowaniu takich układów napędowych były takie firmy jak Land Rover, Mitsubishi, Audi i Subaru. Audi jako pierwsze pokazało światu, że napęd na cztery koła zawsze daje przewagę nad napędem na jedną oś, również w samochodach osobowych, promując jednocześnie to rozwiązanie w rajdach samochodowych.

Stały napęd 4x4 był i nadal jest rozwiązaniem drogim, dlatego zwykle trafia do samochodów wyższej klasy, a zwłaszcza terenowych. Często mówi się, że Land Rover jest prekursorem stałego napędu na cztery koła w samochodach terenowych, ale to Mitsubishi w latach 90. w modelu Pajero, zaprezentowało jeden z najlepszych układów napędowych do samochodów terenowych o nazwie Super Select, dający możliwość wyboru kierowcy, czy chce jeździć samochodem tylno- czy czteronapędowym, niezależnie od warunków drogowych. Toyota w terenowym Land Cruiserze stosowała i stosuje do dziś centralny dyferencjał typu Torsen, który w pewnym sensie przenosi moment obrotowy na tę oś, która ma najlepszą przyczepność. W tym czasie, Jeep również komplikował napęd swoich topowych modeli, ale jednocześnie stosował też napęd dołączany automatycznie o nazwie on-demand z dołączaną przednią osią tylko w momencie pojawienia się poślizgu tylnej. Wszystko przy pomocy sprzęgła wielotarczowego, które zastąpiło mechanizm różnicowy.

W segmencie samochodów osobowych jedne firmy wchodziły na wyższy poziom zaawansowania, głównie dzięki rozwojowi w motorsporcie (Audi, Subaru, Mitsubishi), a inne szukały taniego i prostego rozwiązania. Można by rzec, że jedni się rozwijali idąc dobrą drogą, a inni nie, stosując proste rozwiązania, które później okazały się... przyszłością. Wszystko zweryfikował czas i klient.

Początkowo napęd na cztery koła był nieodłączną częścią każdego samochodu terenowego więc jego obecność w takich pojazdach uznano za standard. Gdy pojawiał się w samochodach osobowych stanowił egzotykę. Nic dziwnego, bo na zwykłej drodze nie ma konieczności napędzania wszystkich kół poza sytuacjami wyjątkowymi, takimi jak ośnieżona nawierzchnia. Mimo to, obecność napędu 4x4 w każdym samochodzie to ogromna zaleta i producenci zaczęli szukać możliwie najłatwiejszej opcji by móc na swoich modelach umieścić napis 4x4, 4WD lub AWD.

Gdyby nie szybki rozwój i rozkwit segmentu SUV być może napęd 4x4 wciąż byłby egzotyczny w samochodach osobowych. SUV-y miałby być z założenia prostymi i tańszymi terenówkami dostępnymi dla każdego, czymś pomiędzy samochodem osobowym a terenowym, więc trzeba było uprościć układ napędowy do minimum. To właśnie w tych stosunkowo tanich samochodach rozpowszechnił się napęd dołączany automatycznie. Wynika to z jednej, prostej przyczyny – silnika umieszczonego poprzecznie.

Historycznie, to zawsze napęd tylny był tym podstawowym, a przedni dodatkowym, ale wraz ze schodzeniem napędu 4x4 do niższych segmentów musiało się to odwrócić. Zblokowane zespoły napędzające przednią oś z silnikiem umieszczonym poprzecznie nijak miały się do napędu tylnej osi. Nie było jak wysłać napędu na tył dopóki nie wymyślono przekładni kątowej przekazującej napęd pod kątem 90 stopni. „Złamanie” układu napędowego pozwoliło na wyprowadzenie wału (napędu) w stronę tylnej osi. Niestety kompaktowa konstrukcja nie pozwoliła na umieszczenie dodatkowych mechanizmów, więc trzeba było poradzić sobie bez centralnego mechanizmu różnicowego. W tej dziedzinie liderem i pionierem jest firma Steyr-Daimler Puch, dzięki której napęd na cztery koła rozpowszechnił się w tanich samochodach osobowych.

Jednym z prekursorów tego typu rozwiązań był Fiat Panda 4x4 pierwszej generacji, który miał napęd tylnej osi dołączany ręcznie. Było to dokładnie to samo, co oferowano w samochodach terenowych, tylko bez reduktora. Niestety miał on również tę samą wadę co napęd klasyczny, czyli brak możliwości jazdy w trybie 4x4 po twardej nawierzchni i dlatego nie został rozpowszechniony. Trzeba było zrobić napęd stały, ale bez dyferencjału. W ten sposób powstał napęd dołączany automatycznie przez sprzęgło wiskotyczne, czyli niemal dokładnie to, z czym mieli do czynienia kierowcy niektórych Jeepów Grand Cherokee już w latach 90.

W rzeczywistości i według powszechnych definicji napęd realizowany przez sprzęgło wiskotyczne (również wielotarczowe) nie jest napędem stałym. Tak można nazwać tylko układy z centralnym mechanizmem różnicowym, ponieważ tylko wtedy napęd jest stale kierowany do wszystkich czterech kół. I tu z nazewnictwem najlepiej poradził sobie Jeep, który napęd stały określał mianem „full-time” (cały czas), a napęd dołączany „on-demand” (w razie potrzeby, na żądanie).

Mimo powyższego, na napęd dołączany automatycznie przez sprzęgło wielotarczowe kierowca nie ma żadnego wpływu, a skoro pojawia się on zawsze wtedy gdy jest potrzebny, to można z dużą tolerancją uznać go za napęd stały. Tak też stwierdzili producenci, którzy w oficjalnych komunikatach prasowych i katalogach samochodów stosują to określenie prawie zawsze, niezależnie od konstrukcji. Mimo to, trzeba zaznaczyć, że jest to określenie błędne, ale świetnie wpływa na klienta, dla którego na przykład, napęd quattro jest tylko jeden, mimo różnych jego konstrukcji. Co zatem dostaje klient?

W najprostszej formie napęd dołączany automatycznie realizuje sprzęgło wiskotyczne, które nie potrzebuje do pracy właściwie niczego. Jest ono w pewnym sensie częścią wału napędowego i jednocześnie dzieli go na dwie części pełniąc rolę płynnej blokady. W obudowie znajdują się tarcze sprzęgła – stąd często nazwa wielotarczowe lub płytkowe – które naprzemiennie połączone są z przednią i tylną częścią wału napędowego. Gdy przednie i tylne koła kręcą się z tą samą prędkością, nie dzieje się w zasadzie nic i tarcze względem siebie w ogóle się nie obracają. Natomiast w przypadku gdy przednia oś kręci się szybciej niż tylna, powstaje różnica między tarczami połączonymi z przednią i tymi połączonymi z tylną częścią wału, a to z kolei podnosi temperaturę specjalnego oleju silikonowego, w którym kąpią się wszystkie tarcze. Olej ten ma właściwość polegającą na gęstnieniu i sklejaniu tarcz wraz ze wzrostem temperatury, czyli wzrostem różnicy prędkości między tarczami przedniego i tylnego wału, co w efekcie powoduje spięcie obu części wału napędowego i dołączanie się napędu na tylne koła. Ze względu na spore opóźnienie spowodowane zmianą właściwości oleju w sprzęgle i poślizg występujący stale pomiędzy płytkami, napęd na tylną oś powinien być traktowany jako dodatkowy i wspomagający. Stąd niedopuszczalne jest mówienie o nim, że jest stały.

Pierwsze konstrukcje, głównie w samochodach Volkswagena (Syncro), japońskich i Land Roverze Freelanderze działały różnie. Jedne szybciej, inne wolniej, ale wszystko zależy nie tyle od marki co od rodzaju pojazdu. Wymagania odnośnie przeniesienia napędu w samochodzie używanym w terenie są zdecydowanie wyższe niż na drogach utwardzonych, czy raczej płaskich. Stąd duże rozbieżności w opiniach na temat napędów dołączanych. Jedni je chwalą, inni przeklinają. Faktem jest natomiast to, że sprzęgło wiskotyczne marnie spisuje się w terenie i bardzo dobrze na szosie. Natomiast nieporozumieniem jest ocena działania napędu samochodu osobowego w warunkach terenowych, na przykład przez symulowanie trudnych sytuacji i stawianie go na rolkach oraz próba uwolnienia się z nich. Zadaniem napędu 4x4 w samochodzie osobowym nie jest bowiem wydostanie auta z opresji (np. zakopanie się) lecz poprawienie właściwości jezdnych na śliskiej nawierzchni podczas jazdy, np. po śniegu. Dlatego też napędy samochodów osobowych nie sprawdzają się zwykle na rolkach, ale zapewniają świetne prowadzenie i przyczepność podczas jazdy.

Faktem jest, że gdyby nie powstanie sprzęgła wiskotycznego napęd na cztery koła nie zostałby tak rozpowszechniony jak to ma miejsce dzisiaj. Właściwie w ofercie niemal wszystkich producentów znajdziemy przynajmniej jeden model z napędem 4x4, a coraz więcej popularnych kompaktów czy aut klasy średniej można zamawiać w wersji czteronapędowej. Gdyby producenci wciąż trwali przy klasycznych rozwiązaniach z centralnym mechanizmem różnicowym, nadal napęd na cztery koła byłby rarytasem przeznaczonym tylko do terenówek i drogich samochodów z silnikiem umieszczonym wzdłużnie i wielu kierowców nigdy nie doświadczyłoby jego zalet. Swoją drogą, napęd dołączany automatycznie jest niemal tym samym, czym jest napęd dołączany ręcznie z tą różnicą, że automatyczny jest do dyspozycji zawsze gdy zaistnieje potrzeba użycia go.

O tym co się stało z napędami w ostatnich latach i jak dziś wygląda podział na układy napędowe 4x4 oraz jak rysuje się przyszłość układów przeniesienia napędu przeczytacie w drugiej części artykułu.

*Prawidłowa nazwa to skrzynia rozdzielcza lub rozdzielczo-redukcjna. Potoczna nazwa reduktor wzięła się stąd, że dawniej skrzynie rozdzielcze niemal zawsze były przynajmniej dwubiegowe, czyli jednocześnie redukowały przełożenie podstawowe.