Samochód terenowy – układ napędowy

[vokal]

Samochód terenowy – układ napędowy [część 1]
Autor: Marcin Łobodziński - autokult.pl




Tym razem omówię napędy stosowane w terenówkach. Nie będę wchodził w szczegóły wszystkich rozwiązań stosowanych dziś w samochodach. Interesują nas jedynie rozwiązania w terenówkach, więc skupmy się na dwóch klasycznych.

Praktycznie od początku rozwoju samochodów terenowych stosowano dwa rozwiązania układów napędowych. Jedno – najbardziej klasyczne – to napęd na tylną oś, z dołączanym napędem przedniej osi. Drugie rozwiązanie to klasyczny stały napęd na cztery koła z centralnym mechanizmem różnicowym.

Należy od razu zaznaczyć, że klasyczny dołączany napęd kół przednich to mechanizm, w którym kierowca – nie elektronika – decyduje o rodzaju przeniesienia napędu. Najczęściej w takim rozwiązaniu nie ma centralnego mechanizmu różnicowego, więc jazda po drogach utwardzonych może odbywać się jedynie przy użyciu napędu kół tylnych.

Stały napęd na cztery koła, zwany też AWD (All Wheel Drive), to niemal taka sama konstrukcja jak napęd dołączany, tyle że bez możliwości ingerencji w to, które koła mają być napędzane. Rozkładem napędu zarządza centralny mechanizm różnicowy (którego nie ma w napędzie dołączanym) w sposób naturalny, tak jak został zaprojektowany.

Podstawowe tryby pracy skrzyń rozdzielczych:
2H – napęd na tylne koła, do jazdy po drogach utwardzonych.
4H – napęd na cztery koła do jazdy w terenie lub na drogach utwardzonych, jeśli samochód ma centralny mechanizm różnicowy.
N – odłączenie napędu w skrzyni rozdzielczej, bieg jałowy.
4L – napęd na cztery koła z przełożeniem redukcyjnym, do jazdy w terenie.




BUDOWA I RÓŻNICE

Budowa obu typów napędów z zewnątrz praktycznie jest identyczna. Moment obrotowy z silnika trafia do skrzyni biegów, a stamtąd do urządzenia zwanego skrzynią rozdzielczą z reduktorem. Praktycznie oba mechanizmy mają wspólny korpus, stąd różne nazewnictwo. Warto więc zapamiętać, że bez względu na to, czy jest to reduktor, skrzynia rozdzielcza, czy skrzynia rozdzielczo-redukcyjna, zawsze mamy do czynienia z przekładnią odpowiadającą za rozdział napędu i redukcję przełożeń.


Kliknij obrazek, aby powiększyć

Wrócę do momentu obrotowego znajdującego się w skrzyni rozdzielczej. Skrzynia rozdzielcza ma dwa wyjścia. Jedno z tyłu, gdzie mocowany jest wał napędowy, przekazujący moment obrotowy do tylnego mostu. Drugie z przodu, obok wejścia. Jak widać na powyższym zdjęciu, napęd musi być przekazywany w pewnym sensie w bok. Ta operacja jest najczęściej wykonywana za pośrednictwem przekładni łańcuchowej (zdjęcie niżej), w samej skrzyni rozdzielczej. Jest to rozwiązanie sprawdzone w najcięższych warunkach, ciche, niezawodne i trwałe.



Teraz miejsce, w którym występują największe różnice w rozwiązaniach układu napędowego. Jeśli skrzynia rozdzielcza wyposażona jest w mechanizm różnicowy, istnieje możliwość jazdy z napędem 4×4 w każdych warunkach. Patrząc na to z innego punktu widzenia: nie ma możliwości jazdy z napędem tylko na jedną oś. O zaletach i wadach rozwiązań za chwilę.

Jeśli jest stały napęd na cztery koła, właściwie można tu zakończyć temat. Inaczej wygląda sprawa z napędem dołączanym. Napęd na przednią oś trafia do przedniego mechanizmu różnicowego w przednim moście, dalej na półosie napędowe i …STOP!

Tu czeka kolejny mechanizm, którego być może większość z Was się nie spodziewała. Przy opisywaniu układów napędowych w plaskaczach praktycznie się o tym nie mówi, bo nie ma o czym. Natomiast w większości samochodów terenowych przy połączeniu półosi napędowych z piastą koła występuje sprzęgło, a właściwie sprzęgiełko. Dokładnie są to sprzęgła, które przekazują napęd na koła lub go odłączają. Żeby napęd trafił na koła, sprzęgła trzeba włączyć.

Pewnie zastanawiacie się, do czego służą te sprzęgiełka. Czy to nie bez sensu, że włączając napęd przedniej osi, nadal nie mamy napędu 4×4? Otóż nie. Pamiętajmy, że koła, nawet obracając się swobodnie, połączone są z półosiami napędowymi, co podczas jazdy stwarza opory, hałas i wibracje. Dlatego z myślą o użytkowaniu pojazdów terenowych na drogach utwardzonych stworzono sprzęgiełka w piastach przednich kół, aby półosie, mechanizm różnicowy i przedni wał napędowy pozostały w spoczynku. Oczywiście podstawową zaletą jest zmniejszone zużycie paliwa.


Kliknij obrazek, aby powiększyć

Wady i zalety stosowanych rozwiązań:

Stały napęd na cztery koła:
Zalety:
• Możliwość korzystania z dobrodziejstw napędu 4×4 w każdych warunkach i związane z tym większe bezpieczeństwo jazdy
• Wygoda (zwalnia kierowcę z myślenia i decydowania)
Wady:
• Większe zużycie paliwa
• Większy hałas
• W przypadku braku blokady centralnego mechanizmu różnicowego przeniesienie napędu w sytuacji ekstremalnej tylko na jedno koło

Napęd dołączany ręcznie:
Zalety:
• Mniejsze zużycie paliwa podczas jazdy po drogach utwardzonych
• Mniejszy hałas i wibracje podczas jazdy po drogach utwardzonych
• Możliwość korzystania z „dobrodziejstw” napędu na tylną oś
• Równy i stały rozdział momentu obrotowego pomiędzy osiami (w trybie 4×4) i w związku z tym brak potrzeby stosowania centralnej blokady dyferencjału

Wady:
• Brak możliwości korzystania z dobrodziejstw napędu 4×4 na nawierzchniach utwardzonych
• Wymagana większa świadomość, rozwaga i odpowiedzialność u kierowcy
• Kłopotliwe dołączanie napędu przedniej osi (ze sprzęgiełkami piast włączanymi ręcznie przy kołach)

Nie należy pochopnie wyciągać wniosków. To, co widzicie, nie oznacza, że napęd dołączany jest lepszy, bo ma więcej zalet, a napęd stały ma więcej wad niż zalet. Ogólnie rzadko mamy wpływ na to, co znajduje się w naszym samochodzie, szczególnie gdy kupujemy samochód używany.

Wyjątek

Byłbym niekompetentny, gdybym nie wspomniał o wyjątkach. Do wyjątków należy Jeep. Jako że modele Cherokee i Grand Cherokee uznaliśmy za prawdziwe terenówki, trzeba wspomnieć o amerykańskim podejściu do układów napędowych.

Otóż Jeep, był i jest na tyle hojny, że nie tylko dawał nabywcy możliwość dokonania wyboru, ale stworzył rozwiązanie, które połączyło w pewnym sensie obie klasyczne konstrukcje. Taką konstrukcję można nazwać napędem przełączanym ręcznie. Przełącznym, bo kierowca ma wybór pomiędzy napędem na jedną lub obie osie na drogach utwardzonych lub napędem na cztery koła w terenie.



Jeep już dawno wymyślił skrzynię rozdzielczą nazwaną Selec-Trac. Było to innowacyjne rozwiązanie, więc wymaga szerszego omówienia. Miała ona następujące tryby pracy:

2WD - napęd tylko na tylną oś.

4 Part Time – napęd na 4 koła z włączoną blokadą centralnego mechanizmu różnicowego, zapewniający stały rozdział momentu obrotowego w stosunku 50/50 między osiami. Z powodu blokady mechanizmu różnicowego tego trybu nie można używać na nawierzchni nie umożliwiającej uślizgu kół, np. na asfalcie.

4 Full Time – napęd na 4 koła z wykorzystaniem mechanizmu różnicowego. Idealny do zwiększenia trakcji na asfalcie.

4LO – Part Time z włączonym reduktorem i z blokadą mechanizmu różnicowego do zastosowania w trudniejszych warunkach terenowych.

Pierwotna wersja tej skrzyni rozdzielczej nie miała jedynie trybu pracy „4 Part Time”. O skrzyni Selec Trac piszę w czasie przeszłym, ponieważ dziś stosuje się skrzynie rozdzielcze Selec Trac II (nieco uproszczone). Podobne rozwiązanie znajduje się w nowszych modelach Mitsubishi Pajero, zwane Super Select. Jeep stosował/stosuje również klasyczne układy zarówno ze stałym, jak i dołączanym napędem na cztery koła.


Kliknij obrazek, aby powiększyć

W nowszych modelach stosowane były/są także skrzynie rozdzielcze zwane Quadra Trac, w których w trybie 4 Full Time:

Napęd na przednie koła dołączany automatycznie, przy użyciu sprzęgła wiskotycznego – skrzynia bez centralnego mechanizmu różnicowego.

Napęd rozdzielany przy użyciu centralnego mechanizmu różnicowego, blokowanego przez sprzęgło wiskotyczne.

Różnorodność stosowanych w jeepach rozwiązań jest ogromna. Bardziej szczegółowo opiszę je przy okazji pisania o Jeepie Grand Cherokee. Nowsze konstrukcje wyjaśnia seria animacji na stronie internetowej http://www.jeep.com. Po wyborze konkretnego rozwiązania i przełączeniu poszczególnych trybów animacja i lektor w przystępny sposób wyjaśnią zasadę działania.

To tyle informacji o ogólnej budowie układów napędowych w samochodach terenowych. W drugiej części opiszę kilka “drobiazgów”, które mają ogromny wpływ na skuteczną walkę z terenem.


Marcin Łobodziński

[ermaciek]

z tego artykułu wynika, że sorento jest jedyną terenówką w której jest największa paleta doboru trybu napędu i to własnie dzięki modowi od alkraka jeep sie chowa

[alkrak]

Wczoraj czytałem ten artykuł (cz.1 i cz.2) i kilka innych na tej stronie: http://autokult.pl/
Warto tam wchodzić, bo jest dużo ciekawych opisów i dyskusji.

[vokal]

Samochód terenowy – układ napędowy [część 2]
Autor: Marcin Łobodziński - autokult.pl



Kliknij obrazek, aby powiększyć


Druga część tematu układów napędowych w samochodach terenowych. Tym razem omówię takie elementy, jak: blokady mechanizmów różnicowych, sprzęgiełka piast i reduktor. To już ostatnia część podstaw.

Blokady mechanizmów różnicowych

Mechanizmy różnicowe umieszczone pomiędzy kołami (jak również pomiędzy osiami, w systemie AWD) są niezbędne do normalnego poruszania się po drogach utwardzonych. Gdyby nie było dyferencjałów, jazda w zakrętach byłaby tak trudna, że prawie niemożliwa. Im większy rozstaw kół, tym większy problem. Jedynie gokarty i quady nie potrzebują dyferencjału, gdyż rozstaw kół jest w nich niewielki.

Jak pewnie pamiętacie, to co dobre na drogach utwardzonych, nie koniecznie sprawdza się w terenie. Tak jest i tym razem. Co więcej, mechanizm różnicowy jest jednym z tych elementów, które potrafią najbardziej uprzykrzyć offroadowe wojaże. Klasyczny dyferencjał (czyli taki o stożkowych kołach zębatych) ma to do siebie, że rozdziela moment obrotowy równo na dwa koła (centralny – na dwie osie). W praktyce, o maksymalnym momencie obrotowym, przenoszonym na nawierzchnię, „decyduje” koło, które ma mniejsza przyczepność. Skoro koło, będące w poślizgu może przenieść niewielki moment obrotowy, to drugie koło „dostanie” taką samą (niewielką) dawkę momentu, a jednocześnie na tyle małą, że nie będzie w stanie napędzać samochodu. Sprawa wygląda podobnie, gdy jedno koło będzie uniesione. Zdolność przenoszenia momentu obrotowego przez to koło będzie równa zero, wiec tyle samo momentu trafi na drugie koło.


Kliknij obrazek, aby powiększyć

Nie powinno więc nikogo dziwić stwierdzenie, że samochód z napędem na jedną oś, ma w rzeczywistości napęd na jedno koło. Jeśli w aucie 4×4 jest międzyosiowy mechanizm różnicowy, to również ma on napęd na jedno koło. Oczywiście można powiedzieć, że to przesada. W rzeczywistości, w warunkach terenowych, czy nawet na śniegu, tak właśnie jest. Nieco inaczej sprawa wygląda w układzie napędowym z dołączanym napędem na przednie koła, bez centralnego dyferencjału. Tu, dzięki braku dyfra mamy napęd na dwa koła (jedno z przodu i jedno z tyłu).

W związku z powyższym, samochody terenowe wyposaża się w urządzenia mające w większym lub mniejszym stopniu rozwiązać „problem” z mechanizmem różnicowym. Najprostszą i najtańszą metodą są mechanizmy różnicowe o zwiększonym tarciu wewnętrznym, popularnie zwane LSD (Limited Slip Differential) czyli mechanizm o ograniczonym poślizgu. Nieco droższym, ale o wiele skuteczniejszym rozwiązaniem jest blokada mechanizmu różnicowego.

Częściowe blokady mechanizmów różnicowych (LSD)

Generalnie istnieją trzy sposoby ograniczania poślizgu w mechanizmie różnicowym. Można w mechanizmie zastosować specjalną konstrukcję kół zębatych – najlepsze i zarazem najdroższe rozwiązanie. Polega to na zastąpieniu klasycznego, stożkowego dyferencjału, dyferencjałem o innej konstrukcji. Najczęściej jest to mechanizm walcowy z kołami śrubowymi lub ślimakowy mechanizm różnicowy (np. znany z Audi system Torsen).



Drugim, tańszym i często stosowanym rozwiązaniem jest sprzęgło wiskotyczne lub pakiet tarcz ciernych, sprzężonych z klasycznym dyferencjałem. Ich zadaniem jest częściowe sprzężenie elementów wzajemnie obracających się poprzez „spięcie” tarcz ciernych. Tarcze dociskane są do siebie poprzez elementy dociskające (np. sprężyny) lub sprzęgane są ze sobą w wyniku pracy w specjalnym oleju. Są też konstrukcje, gdzie tarcie uzyskiwane jest przez sprężyny zwiększające nacisk na elementy mechanizmu różnicowego.



Te pierwsze, popularnie zwane sprzęgłami lepkościowymi (wiskotycznymi), pracują w minimalnych odstępach zanurzone w oleju silikonowym. Część tarcz osadzona jest na wale wejściowym, a część na obudowie, połączonej z wałem wyjściowym. W wyniku wzrostu prędkości pomiędzy zespołami tarcz umieszczonych na jednym z wałów, olej silikonowy zaczyna gęstnieć, przez co moment obrotowy częściowo przenoszony jest na wał pozostający w spoczynku.

W teorii mówi się o stopniu (współczynniku) blokowania. Jak to wygląda matematycznie? Współczynnik blokowania oznacza iloraz różnicy momentu efektywnego od blokującego dzielonej przez wartość momentu wejściowego. Jeśli mechanizm dysponuje momentem blokowania 100 Nm a na koło mające przyczepność trafi 300 Nm momentu napędowego, to współczynnik blokowania wynika za wzoru (300-100)/(300+100)= 0,5. Współczynnik wyraża się w procentach, co oznacza 50 %.

Trzecią metodą na pokonanie wad mechanizmu różnicowego jest elektroniczna kontrola trakcji. Szeroko stosowana w SUV-ach metoda, powoli trafia również do terenówek. Nawet prawdziwki wyposaża się w taką protezę tradycyjnej blokady. Rozwiązanie opiera się na wykorzystaniu wad klasycznego mechanizmu stożkowego. Koło tracące przyczepność zostaje przyhamowane co dyferencjał odczytuje jako większą przyczepność. W ten sposób moment obrotowy trafia na drugie koło. Jest to rozwiązanie zaskakująco skuteczne, proste i tanie lecz jego skuteczność jest raczej krótkotrwała.

Kontrola trakcji, przy częstym wykorzystaniu zaczyna powodować przegrzewanie tarcz i klocków hamulcowych. Niektóre samochody, szczególnie te bardziej zelektronizowane, mogą ją wyłączyć, zanim wystąpi niebezpieczeństwo przegrzania hamulców. Natomiast w błotnistym terenie może dojść do zabrudzenia czujników i brak pracy systemu. Co ciekawe, użytkownicy Land Roverów Discovery nowszych generacji, chwalą sobie pracę kontroli trakcji w niezbyt trudnym terenie.

Pełne blokady mechanizmu różnicowego

Nikt nie wymyślił jeszcze bardziej skutecznego urządzenia niż tradycyjna, pełna blokada mechanizmu różnicowego. Blokada po uruchomieniu dokonuje pełnego zablokowania (w pewnym sensie wyłączenia) dyferencjału. W ten sposób oba koła (w przypadku centralnego dyferencjału – obie osie) kręcą się z taką samą prędkością, a moment obrotowy trafia na koło (oś), które ma większą przyczepność.

Najprostsze blokady mechaniczne łączą ze sobą na stałe jedną z półosi z koszem mechanizmu. Jedna z półosi przyjmuje moment obrotowy bezpośrednio z kosza mechanizmu, połączonego z przekładnią główną. Do drugiej półosi, moment trafia poprzez zblokowane koła zębate. Blokuje się je przez unieruchomione względem kosza koło koronowe zblokowanej półosi.
Sprzężeniem koła koronowego i półosi zajmuje się sprzęgło kłowe poruszające się na przesuwce. Przesuwka osadzona jest na półosi poprzez wielowypust. Jest to najbardziej klasyczna konstrukcja difloka, a firmą wiodącą w jej produkcji jest Maxi Drive.



Samo nazewnictwo przy blokadach, dotyczy jedynie sposobu uruchamiania blokady. Mechaniczna włączana jest przy pomocy tradycyjnej linki lub dźwigni. Blokady pneumatyczne sterowane są przy pomocy sprężonego powietrza, natomiast hydrauliczne przy użyciu hydraulicznego siłownika. Blokady elektryczne korzystają z siłowników elektrycznych.

Bardziej finezyjną konstrukcją jest pneumatyczna blokada firmy ARB. Działa ona na zasadzie blokowania półosi z koszem mechanizmu za pośrednictwem koła koronowego. Jako, że elementy blokady znajdują się w obracającym się koszu, jedynym sposobem sterowania jest sprężone powietrze wewnątrz obudowy mostu. Powietrze dochodzi do pierścienia współpracującego z pierścieniem umieszczonym na koszu. Jest to połączenie, które może się obracać, zatem możliwe jest doprowadzenie powietrza do sprzęgła unieruchamiającego koło koronowe względem kosza.



Jest to rozwiązanie dość skomplikowane i kosztowne. Niezbędny jest kompresor , dodatkowa instalacja powietrzna i zupełnie inne elementy mechanizmu różnicowego. Zaletą jest bardzo szybkie i skuteczne działanie blokady.

Domyślam się, że czytanie o tym było dość trudne i zmuszające do myślenia. Proponuję więc obejrzeć film prezentujący korzyści płynące z posiadania pneumatycznej blokady mechanizmu różnicowego ARB.



Jeszcze o sprzęgiełkach

Wiemy już do czego służą. Sprzęgiełka dzielimy generalnie na dwa rodzaje: ręczne i automatyczne. Aby napęd z przednich półosi trafił na koła, należy je włączyć. W sprzęgiełkach ręcznych znajduje się pokrętło, które należy obrócić ręką, lub przy użyciu narzędzia (w zależności od konstrukcji) z pozycji “free” na “lock”. Powoduje to ściśnięcie sprężyny, która przesuwa pierścień sprzęgający. W momencie ustawienia się wielowypustów na półosi i obudowie sprzęgiełka, sprężyna łączy półoś i piastę koła.


Kliknij obrazek, aby powiększyć

Wadą tego rozwiązania jest sama operacja włączania. Należy wyłączyć napęd w skrzyni rozdzielczej i podejść do każdego koła (oczywiście przedniego), włączyć sprzęgiełka i dopiero można ruszyć. Czasami warunki po prostu na to nie pozwolą, np. gdy wkleimy auto. Tak więc, tego rodzaju rozwiązanie, to mechanizm dla ludzi myślących i doświadczonych.

Aby to wyeliminować, wymyślono sprzęgiełka automatyczne. Włączają się one samoczynnie w momencie włączenia napędu przednich kół. Zasada działania jest podobna. Sprzęgiełko włączy się po delikatnym obrocie kół przednich. Ważne jest więc, aby po włączeniu napędu nie ruszać od razu gwałtownie, gdyż może to spowodować uszkodzenie mechanizmu.

Ze względu na konstrukcję, wyłączenie sprzęgiełka następuje po odłączeniu napędu przedniego mostu i cofnięcie samochodu o przynajmniej 3 metry. Dopiero na skutek braku wzajemnych obrotów półosi i piasty koła, sprężyna spowoduje cofnięcie pierścienia sprzęgła i rozłącznie napędu.

Aby jeszcze bardziej ułatwić życie kierowcy, opracowano sprzęgiełka sterowane podciśnieniem. Podciśnienie z kolektora ssącego działa na tłok, który powoduje zazębienie się pierścienia sprzęgiełka z pierścieniem osadzonym na półosi. Wyłączenie następuje przez otwarcie zaworu sterującego podciśnieniem i uwolnienie tłoka sprzęgającego. Konstrukcja ta eliminuje konieczność cofania w celu wyłączenia sprzęgiełek.

Reduktor

Reduktor, zwykle umieszczony we wspólnej obudowie ze skrzynią rozdzielczą (stąd nazwa skrzynia rozdzielczo-redukcyjna). Jest niczym innym jak dodatkową przekładnią, pracującą niezależnie od skrzyni biegów. Reduktor daje możliwość zredukowania przełożeń (prędkości obrotowej wału) i tym samym zwiększenia momentu obrotowego na kołach. Zwykle reduktory posiadają przełożenie od 1,9 do 3, jednak są również i takie, które redukują na poziomie 4-5. Oznacza to, że prędkość samochodu na poszczególnych biegach maleje o wielkość, jaką wykazuje przełożenie reduktora.



Reduktor zawsze pracuje w trybie z napędem na cztery koła. W układach klasycznych, jego włączenie możliwe jest tylko po dołączeniu napędu obu osi (tryb 4L). W układach ze stałym napędem na cztery koła, włączenie reduktora często powoduje również włączenie blokady centralnego mechanizmu różnicowego

Jak wspomniałem na początku, jest to ostatnia część serii “samochód terenowy” dotycząca podstaw wiedzy na temat budowy terenówek. Z tą wiedzą możemy się zastanowić nad dokonaniem zakupu. Zanim to zrobimy, określimy nasze potrzeby. Jaki samochód nam potrzebny? Do czego ma służyć? Czy na pewno jest nam potrzebny samochód terenowy? A może wystarczy nam zwykły SUV? Na te pytania odpowiemy sobie w kolejnym artykule.


Marcin Łobodziński