Samochód z napędem 4x4 (lub więcej), powszechnie kojarzony z tzw. samochodem terenowym, charakteryzuje się kilkoma cechami, którymi przewyższa swoich odpowiedników z napędem na jedną oś. Rys. 1 przedstawia klasyczną i historyczną już konstrukcję samochodu z napędem na 4 koła - jeden z pierwszych modeli Land Rovera.

Zarówno obliczenia teoretyczne, jak i jazdy doświadczalne potwierdzają bardzo dobre właściwości trakcyjne pojazdu, zwłaszcza podczas pokonywania wzniesień, przyspieszania, pokonywania zakrętów oraz poruszania się po drogach o nierównych nawierzchniach. Wydaje się, że uzupełnienia wymaga ostatnie użyte stwierdzenie. Ten złożony zespół cech wynika przede wszystkim z warunków współpracy opony z nawierzchnią, jakkolwiek niektóre z nich są uwarunkowane innymi właściwościami pojazdu.

W tym przypadku należy oddzielić zagadnienie poruszania się po nawierzchniach o zwiększonym współczynniku oporu toczenia, od zagadnienia pokonywania przeszkód omawianych w artykule pt. Samochód w trudnym terenie (Auto Moto Serwis nr 6Ő03). Zdolność do pokonywania przeszkód terenowych dobrze ilustruje rys. 2, gdzie pokazane są możliwości rozwijania siły napędowej przez każdy z najczęściej stosowanych układów. Przy napędzie wieloosiowym koła każdej osi wspomagają swoje działanie - jest to szczególnie istotne w sytuacjach, kiedy pod kołami jednej osi nie jest rozwijana siła napędowa o wartości dostatecznej do pokonania siły oporów ruchu (przy założeniu małej prędkości jazdy jest to tylko siła oporów drogi). Samochód z napędem wieloosiowym będzie usiłował nadrobić ten brak napędzeniem drugiej osi - samochód z napędem jednoosiowym może pozostać bezradny w takiej sytuacji. Jako skrajność można potraktować tzw. zawieszenie się samochodu na przeszkodzie, kiedy koła osi napędzanej zawisną w powietrzu i nie rozwijają tym samym żadnej siły napędowej. Samochód z napędzaną drugą osią będzie usiłował pokonać przeszkodę dysponując tylko siłą napędową tej osi.

rys. 1.	rys. 2.
rys. 3a.	rys. 3b.
rys. 3c.	rys. 4.
rys. 5.	rys. 6.

Zagadnienie pokonywania oporów drogi o zwiększonym współczynniku oporu toczenia (np. piaszczystej) i/lub zmniejszonym współczynniku przyczepności (śliskiej) pokazuje rys. 3. Przyjęto, że całkowita siła oporów drogi jest wyrażona za pomocą strzałki w kolorze zielonym, natomiast siła napędowa wytwarzana przez koła - strzałką w kolorze czerwonym. Ponieważ do koła można doprowadzić jedynie taki moment obrotowy, który nie spowoduje przekroczenia siły przyczepności, może okazać się, że duży moment obrotowy silnika pozostanie nie wykorzystany i samochód (np. z napędem na jedną oś - rys. 3a i b; strzałka w kolorze czerwonym jest krótsza od strzałki w kolorze zielonym) nie będzie mógł pokonać oporów drogi. Jeśli jednak moment silnika zostanie rozłożony na większą liczbę osi (rys. 3c), z których każda będzie rozwijała cząstkową siłę napędową, może okazać się, że suma tych sił pokona siłę oporów i samochód będzie mógł poruszać się. Jest to zagadnienie szczególnie ważne dla samochodów użytkowych, pokonujących niekiedy bardzo duże wartości sił oporów, kiedy napęd nawet na dwie osie nie wystarcza.

Na rys. 4, 5 i 6 przedstawiono konstrukcje zespołów i pojazdów z napędem na dwie osie, natomiast na rys. 7 - z napędem na trzy osie.

Podobną argumentacją, do podanej wyżej, można uzasadnić lepsze właściwości dynamiczne pojazdu z napędem wieloosiowym podczas przyspieszania. Doprowadzana do kół jednej osi siła napędowa może spowodować zerwanie przyczepności, a przez to pozostać nie do wykorzystania. Siły napędowe rozłożone na większą liczbę kół mogą nie powodować takiego zjawiska; ich suma może umożliwić osiągnięcie większej wartości przyspieszenia. Zagadnienie przyspieszania nie jest dla klasycznych pojazdów terenowych tak ważne, jak możliwość pokonywania oporów drogi, jednak wobec stosowania napędu 4x4 w sporcie wyczynowym możliwości tego rodzaju napędu mają znaczenie pierwszorzędne.
Pomimo wielu cech uznawanych za wyjątkowo korzystne, układ napędowy 4x4 ma również wiele wad. Są to: skomplikowana konstrukcja (należy rozważyć możliwość mniejszej niezawodności mechanizmu), zwiększona masa elementów układu, wyższa cena samochodu oraz wyższe koszty eksploatacji związane z mniejszą sprawnością mechaniczną układu oraz większą liczbą części zamiennych.

Zdolność pokonywania wzniesień

Największa wartość siły napędowej Xns, jaką silnik może dostarczyć na koła samochodu, jest wyznaczana ze wzoru:
gdzie:
Ts - maksymalny moment obrotowy silnika
ic - całkowite przełożenie układu napędowego
hm - sprawność mechaniczna układu napędowego
rd - promień dynamiczny koła

Możliwość wykorzystania tak określonej siły napędowej zależy od największej siły napędowej występującej pomiędzy kołem a nawierzchnią. Zakładając, że ruch pojazdu odbywa się z niewielką prędkością (pojazd pokonuje największe (!) możliwe dla niego wzniesienie), siła napędowa Xnµ, wynikająca ze wspomnianych wyżej warunków przyczepności, daje się zapisać jako:
gdzie:
Xnµ - maksymalna siła napędowa wynikająca z warunków przyczepności
Zn - maksymalna reakcja pionowa nawierzchni (w uproszczeniu siła nacisku kół osi napędzanej)
µ1 - współczynnik przyczepności opisujący warunki współpracy koła z nawierzchnią drogi
f - współczynnik oporu toczenia koła na nawierzchni

Jak wspomniano, samochód o masie m wjeżdza z niewielką prędkością na wzniesienie o kącie nachylenia do poziomu j (rys. 8). Opory powietrza mogą być więc pominięte, a współczynnik f = f0. Przyjmujemy, że silnik dysponuje momentem obrotowym, który w połączeniu z całkowitym przełożeniem układu napędowego ic umożliwia rozwinięcie na kołach siły napędowej większej od siły wynikającej z warunków przyczepności:
Siła oporów drogi Xy pokonywana podczas wjazdu na wzniesienie daje się zapisać jako:
Siła Xy składa się z sumy siły oporów toczenia i siły oporów wzniesienia.
W przypadku napędu np. na oś tylną, jako Zn wystąpi zależność:
Wzór na obliczenie kąta maksymalnego wzniesienia pokonywanego przez pojazd z takim rodzajem napędu ma postać:
gdzie:
l - rozstaw osi
l1, l2 - wielkości opisujące wzdłużne położenie środka masy pojazdu
h - wysokość środka masy
Podobne obliczenia przeprowadza się dla napędu na oś przednią.
W przypadku napędu na obie osie:
Zależność ta oznacza, że pojazd z napędem na wszystkie osie, dysponując odpowiednio dużą siłą napędową pokona wzniesienie, którego tg będzie mniejszy/równy od wartości współczynnika przyczepności koło-nawierzchnia. Zakładając, że największa wartość współczynnika przyczepności µ = 1,0, możemy łatwo obliczyć kąt maksymalnego wzniesienia, które może pokonać taki pojazd - jmax = 45ˇ. Należy jednak zwrócić uwagę na przyjęcie bardzo wysokiej wartości współczynnika µ, w uproszczeniu odpowiadającej suchej nawierzchni betonowej w dobrym stanie - w rzeczywistości nawierzchnie takie występują jedynie na torach doświadczalnych, a rzeczywista, przyjmowana do obliczeń wartość współczynnika µ nie przekracza 0,7-0,8. Dla tak określonych wartości kąt maksymalnego wzniesienia będzie zawierał się w przedziale 35-38,6ˇ. Wartości te zmniejszają się istotnie dla nawierzchni śliskich (np. błoto, śnieg); już dla współczynnika µ = 0,5 maksymalny kąt wzniesienia będzie nie większy niż 26,50.

rys. 7.	rys. 8.
rys. 9.	rys. 10a.
rys. 10b.	rys. 11.
rys. 12.	rys. 13.

Zdolność pokonywania wzniesień podawana jest niekiedy w procentach; przyjęto, że pojazd o zdolności pokonywania wzniesień równej 100% pokonuje wzniesienie o kącie nachylenia do poziomu 45ˇ.
Dokonując odpowiednich obliczeń, należy zalecić sprawdzenie rozkładu nacisków na osie, a następnie możliwość ewentualnego przewrócenia się samochodu do tyłu. Sprawdzenie takie jest konieczne w przypadku samochodów z wysoko położonym środkiem masy (samochodów użytkowych) lub samochodów terenowych o wysoko zawieszonym nadwoziu i dużych prześwitach. W szczególnych przypadkach rozkładu mas, np. przy nieprawidłowym załadunku, może okazać się, że nastąpi przewrócenie samochodu podczas wjazdu lub zjazdu ze wzniesienia lub/i wywrotka boczna (rys. 9).
Przyjmując określone wymiary samochodu oraz ustalony rozkład mas, można dokonać obliczeń, których efektem będzie stwierdzenie: największe wzniesienie pokona samochód z napędem na wszystkie koła, mniejsze - samochód z napędem na koła tylne, najmniejsze - samochód z napędem na koła przednie. Kolejność tak przekłada się na stosowanie odpowiednich mechanizmów przekazywania napędu: pojazdy z napędem rozłączalnym mają w większości stały napęd na koła osi tylnej i dołączany napęd kół osi przedniej, tak aby nawet przy napędzie tylko na jedną oś uzyskać zdolność pokonywania możliwie największego wzniesienia.

Rodzaje napędów - mechanizmy

Rozróżniamy dwa podstawowe rodzaje przekazywania napędu na więcej niż jedną oś: tzw. napęd stały, w którym dwie lub więcej osi jest połączonych trwale za pomocą odpowiednich mechanizmów bez możliwości rozłączenia tak, że napęd z silnika kierowany jest zawsze na każdą z osi oraz napęd rozłączalny, w którym napędzana jest zawsze jedna z osi, a napęd drugiej osi (lub pozostałych osi) jest dołączany zależnie od warunków jazdy (wzniesienia i rodzaju nawierzchni). Schematy obu rodzajów napędu pokazuje rys. 10.

Należy także wspomnieć o niekorzystnym zjawisku pojawiającym się podczas ruchu pojazdu na zakręcie i wynikającym z różnicy prędkości kątowych kół toczących się po wewnętrznym i zewnętrznym łuku. Podobnie jak w przypadku napędu na jedną oś, również w przypadku napędu na więcej osi, konieczne staje się zastosowanie mechanizmu, który oddzieli każdą z nich tak, aby ograniczyć do minimum wielkość tzw. mocy krążącej w układzie i powodującej nadmierne naprężenia w układzie mechanicznym, a w konsekwencji zużycie elementów.

Zastosowanie tzw. mechanizmu różnicowego międzyosiowego staje się koniecznością dla układów stałego przeniesienia napędu i jest bardzo pożądane w układach rozłączalnych, kiedy wyłączenie napędu jednej osi powodowałoby takie ograniczenie siły napędowej, które uniemożliwiłoby poruszanie się samochodu.

Stosowane są trzy podstawowe rodzaje mechanizmów różnicowych (rys. 11).

Pierwszy to klasyczny mechanizm z kołami stożkowymi, charakteryzujący się dużą trwałością i niezawodnością, o stosunkowo prostej możliwości zmiany tzw. momentu tarcia wewnętrznego mechanizmu różnicowego. Moment ten decyduje o dynamicznych właściwościach mechanizmu, czyli tzw. współczynniku rozdziału momentu obrotowego oś przednia-oś tylna, a tym samym o właściwościach trakcyjnych pojazdu. Ze względów konstrukcyjnych parametry mechanizmu nie mogą być zmieniane np. zależnie od warunków drogowych.

Drugi rodzaj mechanizmów różnicowych wykorzystuje przekładnię planetarną charakteryzującą się przede wszystkim dużą trwałością (największą z trzech wymienionych) i stosunkowo niewielką objętością (masą) konstrukcji. Stosowany jest szczególnie chętnie w konstrukcjach mechanizmów pojazdów użytkowych, w których przenoszone są duże wartości momentu obrotowego oraz niektórych pojazdów wyczynowych, takich jak np. Lancia Prisma 4WD - samochód z lat 70. ubiegłego wieku (rys. 12). Na rysunku pokazano zblokowany układ przeniesienia napędu, w którym występuje zarówno przekładnia mechanizmu planetarnego, jak i sprzęgło wiskotyczne.

Trzeci to mechanizm rożnicowy ślimakowy, nazywany również mechanizmem Torsena (rys. 13), zastosowany w serii samochodów Audi Quattro (rys. przy tytule), podobnie jak omawiany poprzednio również z lat 70. Jego właściwości dynamiczne (wysoki współczynnik momentu tarcia wewnętrznego) sprawiają, że nie jest wymagany mechanizm ograniczający działanie mechanizmu różnicowego. Wysoki moment tarcia wewnętrznego powoduje jednak szybsze niż w pozostałych konstrukcjach zużywanie się powierzchni czołowych koła ślimakowego.

W trudnych warunkach terenowych i np. dużej różnicy przyczepności kół osi przedniej i tylnej (powstałej np. przy zawieszeniu się samochodu na przeszkodzie terenowej), potrzebą staje się wprowadzenie mechanizmu ograniczającego działanie mechanizmu różnicowego, zwłaszcza w układzie napędu stałego.

Stosowane są trzy rodzaje mechanizmów sterujących pracą międzyosiowych mechanizmów różnicowych (rys. 14). Pierwszy z mechanizmów to klasyczne rozwiązanie znane ze zwykłych mechanizmów różnicowych, mających możliwość tzw. blokowania półosi napędowych. W najprostszej wersji sterowanie odbywa się przez przesuwanie zębatej tulei połączonej z elementami uniemożliwiającymi obrót satelitów mechanizmu różnicowego. Przesuwanie tulei sterującej odbywa się za pomocą mechanizmu uruchamianego mechanicznie, elektrycznie lub pneumatycznie i - poza wyjątkami - nie powinno być dokonywane podczas ruchu pojazdu. Przykład takiego mechanizmu pokazuje rys. 15.

Drugi rodzaj mechanizmu to sprzęgło wiskotyczne (rys. 16). Działanie międzyosiowego mechanizmu różnicowego jest wtedy ograniczane przez charakterystykę sprzęgła wiskotycznego, zależną od różnicy prędkości obrotowej kół osi przedniej i tylnej. Zaletą działania takiego mechanizmu, w odniesieniu do pozostałych, jest brak konieczności ręcznego sterowania jego pracą.
Trzecim rodzajem mechanizmu jest wielotarczowe sprzęgło hydrauliczne sterowane ciśnieniem płynu roboczego. Zaletą takiego rozwiązania jest dostosowywanie się charakterystyki przekazywania momentu zależnie od warunków jazdy.

rys. 14.	rys. 15.
rys. 16a.	rys. 16b.
rys. 17.	rys. 18.
rys. 19.

Jako mechanizmy uzupełniające stosuje się w uzasadnionych konstrukcyjnie przypadkach tzw. zwolnice (rys. 17), które w postaci przekładni planetarnych są umieszczane w piastach kół i stanowią dodatkową przekładnię redukcyjną, zwiększającą moment obrotowy docierający do koła pojazdu. Przekładnie takie są stosowane w dwóch przypadkach: pierwszym, kiedy zachodzi konieczność uzyskania dużej wartości przełożenia całkowitego układu napędowego, a realizacja taka jest utrudniona ze względu na otrzymywane wymiary podzespołów; drugim, kiedy zakłada się ograniczenie wymiarów przekładni głównej (zwiększenie prześwitu) i w konsekwencji przeniesienie przełożenia do innego mechanizmu. Wadą takiego rozwiązania jest zwiększenie masy elementów nieresorowanych (zmiana charakterystyki częstotliwościowej zawieszenia) oraz skomplikowana budowa i obsługa podzespołu.

Na zakończenie

Jednym z pierwszych samochodów wyczynowych ze stałym napędem 4x4, skonstruowanym w latach 80., była Lancia Delta S4 (rys. 18), której układ napędowy pokazano na rys. 19. Wydaje się, że do dzisiaj osiągi tego samochodu powinny budzić uznanie: prędkość maksymalna 225 km/h, przyspieszenie 0-100 km/h osiągane w 6 s. Elementy mechanizmów układu przeniesienia napędu wykonano z tytanu, przy zachowaniu strumienia rozdziału momentu 30/70% odpowiednio na przód i tył, dodatkowo stosując układ samoblokowania półosi dla różnicy prędkości obrotowych większych od 25% nh.