Jak działa napęd na cztery koła

Hummery działają na napęd na cztery koła. Zobacz zdjęcia z jazdy terenowej.

Istnieje prawie tyle samo różnych typów układów z napędem na cztery koła, ile jest pojazdów z napędem na cztery koła. Wygląda na to, że każdy producent ma kilka różnych schematów zasilania wszystkich kół. Język używany przez różnych producentów samochodów może czasami być nieco zagmatwany, więc zanim zaczniemy wyjaśniać, jak działają, wyjaśnijmy trochę terminologii:

• Napęd na cztery koła - Zwykle, gdy producenci samochodów mówią, że samochód ma Napęd na cztery koła, odnoszą się do w niepełnym wymiarze godzin system. Z powodów, które omówimy w dalszej części tego artykułu, systemy te są przeznaczone wyłącznie do użytku w warunkach słabej przyczepności, takich jak jazda terenowa lub na śniegu lub lodzie.
• Napęd na wszystkie koła - Te systemy są czasami nazywane stały napęd na cztery koła. Układy napędu na wszystkie koła są zaprojektowane do działania na wszystkich typach nawierzchni, zarówno drogowych, jak i terenowych, a większości z nich nie można wyłączyć.

Systemy napędu na cztery koła w niepełnym i pełnym wymiarze godzin można oceniać na podstawie tych samych kryteriów. Najlepszy system wyśle ​​dokładnie odpowiednią ilość momentu obrotowego na każde koło, czyli maksymalny moment obrotowy, który nie spowoduje poślizgu opony.

W tym artykule wyjaśnimy podstawy napędu na cztery koła, zaczynając od pewnych podstaw trakcji i przyjrzymy się komponentom, które składają się na system napędu na cztery koła. Następnie przyjrzymy się kilku różnym systemom, w tym temu znalezionemu w Hummerze, wyprodukowanym dla GM przez AM General.

Musimy się trochę dowiedzieć moment obrotowy, trakcja i poślizg kół zanim będziemy mogli zrozumieć różne systemy napędu na cztery koła spotykane w samochodach.

Moment obrotowy to siła skręcająca wytwarzana przez silnik. Moment obrotowy z silnika jest tym, co porusza Twój samochód. Różne biegi w skrzyni biegów i mechanizmie różnicowym zwielokrotniają moment obrotowy i dzielą go na koła. Większy moment obrotowy może być przekazywany na koła na pierwszym biegu niż na piątym, ponieważ pierwszy bieg ma większe przełożenie, przez które można pomnożyć moment obrotowy.

Poniższy wykres słupkowy wskazuje wielkość momentu obrotowego wytwarzanego przez silnik. Znak na wykresie wskazuje wielkość momentu obrotowego, która spowoduje poślizg koła. Samochód, który dobrze startuje, nigdy nie przekracza tego momentu obrotowego, więc opony się nie ślizgają; samochód, który źle startuje, przekracza ten moment obrotowy, więc opony się ślizgają. Gdy tylko zaczną się ślizgać, moment obrotowy spada prawie do zera.

Ta treść nie jest kompatybilna na tym urządzeniu.

Interesującą rzeczą dotyczącą momentu obrotowego jest to, że w sytuacjach słabej przyczepności maksymalny moment obrotowy, który można wytworzyć, jest określany przez wielkość siły pociągowej, a nie przez silnik. Nawet jeśli masz w samochodzie silnik NASCAR, jeśli opony nie przyczepią się do podłoża, po prostu nie ma sposobu, aby wykorzystać tę moc.

Na potrzeby tego artykułu zdefiniujemy trakcja jako maksymalna siła, jaką opona może przyłożyć do podłoża (lub jaką podłoże może przyłożyć do opony - to to samo). Oto czynniki wpływające na przyczepność:

Ciężar na oponie -- Im większy ciężar na oponie, tym lepsza przyczepność. Waga może się zmieniać podczas jazdy samochodem. Na przykład, kiedy samochód skręca, ciężar przenosi się na koła zewnętrzne. Kiedy przyspiesza, ciężar przenosi się na tylne koła. (Więcej informacji można znaleźć w artykule Jak działają hamulce).

Współczynnik tarcia -- Współczynnik ten wiąże wielkość siły tarcia między dwiema powierzchniami z siłą utrzymującą te dwie powierzchnie razem. W naszym przypadku wiąże się ona z przyczepnością między oponami a drogą do ciężaru spoczywającego na każdej z opon. Współczynnik tarcia jest głównie funkcją rodzaju opon w pojeździe oraz rodzaju nawierzchni, po której się porusza. Na przykład opona NASCAR ma bardzo wysoki współczynnik tarcia podczas jazdy po suchym, betonowym torze. To jeden z powodów, dla których samochody wyścigowe NASCAR mogą pokonywać zakręty przy tak dużej prędkości. Współczynnik tarcia dla tej samej opony w błocie byłby prawie zerowy. Z kolei ogromne, nierówne opony terenowe nie miałyby tak wysokiego współczynnika tarcia na suchym torze, ale w błocie ich współczynnik tarcia jest niezwykle wysoki.

Poślizg kół -- Istnieją dwa rodzaje kontaktu opon z drogą: statyczny i dynamiczny.

• kontakt statyczny -- Opona i droga (lub podłoże) nie ślizgają się względem siebie. Współczynnik tarcia dla kontaktu statycznego jest wyższy niż dla kontaktu dynamicznego, więc kontakt statyczny zapewnia lepszą przyczepność.
• kontakt dynamiczny -- Opona ślizga się w stosunku do drogi. Współczynnik tarcia dla kontaktu dynamicznego jest niższy, więc masz mniejszą przyczepność.

Po prostu poślizg koła występuje, gdy siła przyłożona do opony przekracza przyczepność dostępną dla tej opony. Siła działa na oponę na dwa sposoby:

• Wzdłużnie -- Siła podłużna pochodzi od momentu obrotowego przykładanego do opony przez silnik lub hamulce. Ma tendencję do przyspieszania lub zwalniania samochodu.
• Bocznie -- Siła boczna powstaje, gdy samochód porusza się po łuku. Aby samochód zmienił kierunek, potrzeba siły - ostatecznie opony i podłoże zapewniają siłę boczną.

Załóżmy, że masz dość mocny samochód z napędem na tylne koła i jeździsz po zakręcie na mokrej drodze. Twoje opony mają dużą przyczepność, aby przyłożyć siłę boczną potrzebną do utrzymania samochodu na drodze podczas pokonywania zakrętu. Powiedzmy, że wciskasz pedał gazu w środku zakrętu (nie rób tego!) - Twój silnik przenosi dużo większy moment obrotowy na koła, wytwarzając dużą ilość siły wzdłużnej. Jeśli dodasz siłę wzdłużną (wytwarzaną przez silnik) i siłę boczną wytworzoną w zakręcie, a suma przekracza dostępną przyczepność, właśnie utworzyłeś poślizg koła.

Większość ludzi nawet nie zbliża się do przekroczenia dostępnej przyczepności na suchej nawierzchni lub nawet na płaskiej, mokrej nawierzchni. Systemy napędu na cztery i wszystkie koła są najbardziej przydatne w sytuacjach o niskiej przyczepności, na przykład na śniegu i na śliskich wzgórzach.

Zaleta napędu na cztery koła jest łatwa do zrozumienia: jeśli jeździsz czterema kołami zamiast dwóch, masz potencjał podwojenia siły wzdłużnej (siły, która sprawia, że ​​jedziesz), którą opony przykładają do podłoża.

Może to pomóc w różnych sytuacjach. Na przykład:

• W śniegu -- Pchnięcie samochodu przez śnieg wymaga dużej siły. Dostępna siła jest ograniczona dostępną przyczepnością. Większość samochodów z napędem na dwa koła nie może się poruszać, jeśli na drodze jest więcej niż kilka centymetrów śniegu, ponieważ na śniegu każda opona ma tylko niewielką przyczepność. Samochód z napędem na cztery koła może wykorzystywać przyczepność wszystkich czterech opon.
• Poza drogą -- W warunkach terenowych dość często co najmniej jeden zestaw opon ma słabą przyczepność, na przykład podczas przekraczania strumienia lub błotnistej kałuży. W przypadku napędu na cztery koła drugi zestaw opon nadal ma przyczepność, więc mogą cię wyciągnąć.
• Wspinaczka po śliskich wzgórzach -- To zadanie wymaga dużej przyczepności. Samochód z napędem na cztery koła może wykorzystywać przyczepność wszystkich czterech opon do ciągnięcia samochodu pod górę.

Istnieją również sytuacje, w których napęd na cztery koła nie daje przewagi nad napędem na dwa koła. Przede wszystkim systemy napędu na cztery koła nie pomogą Ci zatrzymać się na śliskich nawierzchniach. Wszystko zależy od hamulców i układu przeciwblokującego (ABS).

Przyjrzyjmy się teraz częściom składającym się na układ napędu na cztery koła.

Najpopularniejszy typ mechanizmu różnicowego - otwarty mechanizm różnicowy

Głównymi częściami każdego układu napędu na cztery koła są dwa mechanizmy różnicowe (przedni i tylny) oraz skrzynia rozdzielcza. Ponadto systemy w niepełnym wymiarze godzin mają piasty blokujące, a oba typy systemów mogą mieć zaawansowaną elektronikę, która pomaga im jeszcze lepiej wykorzystać dostępną trakcję.

Różnice Samochód ma dwa mechanizmy różnicowe, jeden umieszczony między dwoma przednimi kołami, a drugi między dwoma tylnymi kołami. Wysyłają moment obrotowy z wału napędowego lub przekładni na koła napędowe. Umożliwiają również obracanie się lewego i prawego koła z różnymi prędkościami podczas pokonywania zakrętu.

Kiedy wykonujesz zakręt, wewnętrzne koła podążają inną ścieżką niż zewnętrzne, a przednie koła podążają inną ścieżką niż tylne, więc każde z kół obraca się z inną prędkością. Mechanizmy różnicowe umożliwiają różnicę prędkości między kołami wewnętrznymi i zewnętrznymi. (W przypadku napędu na wszystkie koła różnica prędkości między przednimi i tylnymi kołami jest obsługiwana przez skrzynię rozdzielczą - omówimy to dalej.)

Istnieje kilka różnych rodzajów mechanizmów różnicowych stosowanych w samochodach osobowych i ciężarowych. Typy stosowanych mechanizmów różnicowych mogą mieć znaczący wpływ na to, jak dobrze pojazd wykorzystuje dostępną przyczepność. Aby uzyskać więcej informacji, zobacz Jak działają różnice.

Typowa skrzynia rozdzielcza z napędem na cztery koła w niepełnym wymiarze godzin: można włączyć redukcję przekładni planetarnej, aby zapewnić przekładnię niskiego zakresu.

Skrzynia rozdzielcza

To urządzenie, które rozdziela moc między przednią i tylną oś samochodu z napędem na cztery koła.

Wróćmy do naszego przykładu skręcania w zakrętach: podczas gdy mechanizmy różnicowe obsługują różnicę prędkości między kołami wewnętrznymi i zewnętrznymi, skrzynia rozdzielcza w układzie napędu na wszystkie koła zawiera urządzenie, które pozwala na różnicę prędkości między przednimi i tylnymi kołami. Może to być sprzęgło wiskotyczne, centralny mechanizm różnicowy lub inny rodzaj przekładni. Urządzenia te umożliwiają układowi napędu na wszystkie koła prawidłowe działanie na każdej powierzchni.

Plik skrzynia rozdzielcza w niepełnym wymiarze czasu pracy z napędem na cztery koła blokuje wał napędowy przedniej osi do wału napędowego tylnej osi, więc koła są zmuszane do obracania się z tą samą prędkością. Wymaga to poślizgu opon, gdy samochód jedzie na zakręcie. Takie systemy w niepełnym wymiarze godzin powinny być używane tylko w sytuacjach o niskiej przyczepności, w których ślizganie się opon jest stosunkowo łatwe. Na suchym betonie ślizganie się opon nie jest łatwe, dlatego należy wyłączyć napęd na cztery koła, aby uniknąć gwałtownych skrętów i dodatkowego zużycia opon i układu napędowego.

Niektóre skrzynie rozdzielcze, częściej te w systemach niepełnoetatowych, zawierają również dodatkowy zestaw biegów, który nadaje pojazdowi niski zakres. To dodatkowe przełożenie zapewnia pojazdowi dodatkowy moment obrotowy i bardzo niską prędkość wyjściową. Na pierwszym biegu w niskim zakresie pojazd może osiągać prędkość maksymalną około 8 km / h, ale na kołach wytwarzany jest niesamowity moment obrotowy. Pozwala to kierowcom na powolne i płynne pokonywanie bardzo stromych wzniesień.

Piasty blokujące

Każde koło w samochodzie jest przykręcone do piasty. W niepełnym wymiarze godzin ciężarówki z napędem na cztery koła zwykle mają piasty blokujące na przednie koła. Gdy napęd na cztery koła nie jest włączony, piasty blokujące służą do odłączenia przednich kół od przedniego mechanizmu różnicowego, półosi (wałków łączących mechanizm różnicowy z piastą) i półosi. Dzięki temu mechanizm różnicowy, półosie i wał napędowy przestają się obracać, gdy samochód jest w napędzie na dwa koła, oszczędzając zużycie tych części i poprawiając oszczędność paliwa..

Ręczne blokowanie piast było dość powszechne. Aby włączyć napęd na cztery koła, kierowca musiał faktycznie wysiąść z ciężarówki i przekręcić pokrętło na przednich kołach, aż piasty się zablokowały. Nowsze systemy mają piasty z automatyczną blokadą, które włączają się, gdy kierowca przełącza się na napęd na cztery koła. Ten typ systemu można zwykle włączyć, gdy pojazd jest w ruchu.

Niezależnie od tego, czy są to ręczne, czy automatyczne, systemy te zazwyczaj wykorzystują przesuwany kołnierz, który blokuje przednie półosie do piasty.

Zaawansowana elektronika

W wielu nowoczesnych pojazdach z napędem na cztery i wszystkie koła kluczową rolę odgrywa zaawansowana elektronika. Niektóre samochody używają systemu ABS do selektywnego hamowania kół, które zaczynają się ślizgać - to się nazywa kontrola trakcji hamulca.

Inni mają zaawansowane, sterowane elektronicznie sprzęgła, które mogą lepiej kontrolować przenoszenie momentu obrotowego między kołami. W dalszej części artykułu przyjrzymy się jednemu z takich zaawansowanych systemów.

Najpierw zobaczmy, jak działa najbardziej podstawowy układ napędu na cztery koła w niepełnym wymiarze godzin.

Schemat systemu podstawowego

Typ systemu w niepełnym wymiarze godzin, który zwykle można znaleźć w pickupach z napędem na cztery koła i starszych SUV-ach, działa w następujący sposób: Pojazd jest zwykle z napędem na tylne koła. Przekładnia łączy się bezpośrednio ze skrzynką rozdzielczą. Stamtąd jeden wał napędowy obraca przednią oś, a drugi tylną.

Gdy włączony jest napęd na cztery koła, skrzynia rozdzielcza blokuje przedni wał napędowy z tylnym wałem napędowym, dzięki czemu każda oś otrzymuje połowę momentu obrotowego pochodzącego z silnika. W tym samym czasie przednie piasty blokują się.

Każda oś przednia i tylna mają otwarty mechanizm różnicowy. Chociaż system ten zapewnia znacznie lepszą trakcję niż pojazd z napędem na dwa koła, ma dwie główne wady. Omówiliśmy już jeden z nich: nie można go używać na drodze ze względu na zablokowaną skrzynię rozdzielczą.

Drugi problem wynika z rodzaju zastosowanych mechanizmów różnicowych: otwarty mechanizm różnicowy równomiernie rozdziela moment obrotowy między każde z dwóch kół, z którym jest połączony (więcej informacji można znaleźć w artykule Jak działają mechanizmy różnicowe). Jeśli jedno z tych dwóch kół oderwie się od podłoża lub znajdzie się na bardzo śliskiej powierzchni, moment obrotowy przyłożony do tego koła spada do zera. Ponieważ moment obrotowy jest rozdzielany równomiernie, oznacza to, że drugie koło również otrzymuje zerowy moment obrotowy. Więc nawet jeśli drugie koło ma dobrą przyczepność, żaden moment obrotowy nie jest na nie przenoszony. Poniższa animacja pokazuje, jak taki system reaguje w różnych warunkach.

Ta treść nie jest kompatybilna na tym urządzeniu.

Animacja podstawowego systemu napotykającego różne kombinacje terenu. Ten pojazd utknie, gdy dwa jego koła są na lodzie.

Wcześniej powiedzieliśmy, że najlepszy system napędu na cztery koła wyśle ​​dokładnie odpowiednią ilość momentu obrotowego na każde koło, przy czym właściwa wartość to maksymalny moment obrotowy, który nie spowoduje poślizgu opony. Ten system jest dość słabo oceniany według tego kryterium. Wysyła na oba koła moment obrotowy, który nie spowoduje, że opona z najmniej przyczepność do poślizgu.

Istnieje kilka sposobów na ulepszenie takiego systemu. Zastąpienie otwartego mechanizmu różnicowego tylnym mechanizmem różnicowym o ograniczonym poślizgu jest jedną z najczęstszych - zapewnia to, że oba tylne koła są w stanie przyłożyć pewien moment obrotowy bez względu na wszystko. Inną opcją jest blokada mechanizmu różnicowego, która blokuje tylne koła razem, aby zapewnić każdemu dostęp do całego momentu obrotowego przenoszonego na oś, nawet jeśli jedno koło jest nad ziemią - poprawia to osiągi w warunkach terenowych.

W następnej sekcji przyjrzymy się, jaki może być najlepszy system napędu na cztery koła: ten w Hummerze.

Pojazd wojskowy AM General Hummer łączy zaawansowaną technologię mechaniczną z wyrafinowaną elektroniką, tworząc prawdopodobnie najlepszy dostępny system napędu na cztery koła.

Hummer ma pełnoetatowy system z dodatkowymi funkcjami, które można włączyć, aby zwiększyć wydajność w terenie. W tym systemie, podobnie jak w naszym systemie podstawowym, przekładnia jest podłączona do skrzynki rozdzielczej. Ze skrzynki rozdzielczej jeden wał napędowy łączy się z przednią osią, a drugi z tylną osią. Jednak skrzynia rozdzielcza w Hummerze nie blokuje automatycznie razem przedniej i tylnej osi. Zamiast tego zawiera zestaw otwartych mechanizmów różnicowych, które kierowca może zablokować. W trybie otwartym (niezablokowanym) przednia i tylna oś mogą poruszać się z różnymi prędkościami, dzięki czemu pojazd może bez problemu poruszać się po suchych drogach. Gdy mechanizm różnicowy jest zablokowany, przednia i tylna oś mają dostęp do momentu obrotowego silnika. Jeśli przednie koła są w ruchomym piasku, tylne koła uzyskują cały moment obrotowy, jaki mogą wytrzymać.

Schemat systemu Hummer, jedną fajną cechą Hummera są piasty z przekładnią, których używa na każdym kole. Podnoszą one cały układ napędowy, dając Hummerowi 16 cali (40,64 cm) prześwitu, ponad dwukrotnie więcej niż większość napędów na cztery koła.

Zarówno przednie, jak i tylne dyferencjały są typu Torsen^® dyferencjały. Te mechanizmy różnicowe mają unikalną przekładnię: gdy tylko wyczuje spadek momentu obrotowego na jednym kole (co ma miejsce, gdy opona ma się ślizgać), przekładnia przenosi moment obrotowy na drugie koło. Mechanizmy różnicowe typu Torsen mogą przenosić od dwóch do czterech razy większy moment obrotowy z jednego koła na drugie. To duża poprawa w porównaniu z otwartymi mechanizmami różnicowymi. Ale jeśli jedno koło jest nad ziemią, drugie nadal nie ma momentu obrotowego.

Aby poradzić sobie z tym problemem, Hummer jest wyposażony w system kontroli trakcji hamulców. Kiedy jedna opona zaczyna się ślizgać, układ kontroli trakcji hamulca włącza hamulce do tego koła. Pozwala to osiągnąć dwie rzeczy:

• Zapobiega ślizganiu się opony, umożliwiając maksymalne wykorzystanie dostępnej przyczepności.
• Pozwala to drugiemu kole na przyłożenie większego momentu obrotowego.

Ta treść nie jest kompatybilna na tym urządzeniu.

System Hummera napotykający różne kombinacje terenu: aby Hummer utknął, wszystkie cztery koła musiałyby stracić przyczepność.

System kontroli trakcji hamulca przykłada znaczny moment obrotowy do koła, które chce się ślizgać, pozwalając mechanizmowi różnicowemu Torsen na przyłożenie od dwóch do czterech razy większego momentu obrotowego na drugie koło.

Przetestujmy Hummera.

System w Hummerze jest w stanie przesłać dużą ilość momentu obrotowego do dowolnej opony, która ma przyczepność, nawet jeśli oznacza to wysłanie go do jednej opony. To zbliża Hummera do naszej definicji idealnego systemu napędu na cztery koła: takiego, który zapewnia każdej oponie maksymalny moment obrotowy, jaki może wytrzymać..

Aby uzyskać więcej informacji na temat napędu na cztery koła i powiązanych tematów, zapoznaj się z linkami na następnej stronie.

Powiązane artykuły

• Quiz o zawieszeniu samochodu
• Jak działają różnice
• Jak działają hamulce przeciwblokujące
• Jak działają poduszki powietrzne
• Jak działają opony
• Jak działa siła, moc, moment obrotowy i energia
• Jak działa układ kierowniczy samochodu
• Jak działają ceny gazu
• Jak działają wskaźniki paliwa
• Jak działa moc
• Co to znaczy nazwać pickupa „półtonową ciężarówką”?

Więcej świetnych linków

• Wprowadzenie do systemów napędu na wszystkie koła
• 4x4NOW: „Jak to zrobić” na czterech kółkach
• Inteligentny kierowca: napęd na cztery koła, napęd na wszystkie koła, kontrola trakcji
• Zapytaj Yahoo !: Jaka jest różnica między „napędem na wszystkie koła” a „napędem na cztery koła”?
• The Car Guy: Four-Wheel, Front-Wheel, All-Wheel Drive - Huh?