Architektur s pohonem všech kol je téměř tolik, kolik je jimi vybavených aut. Zdá se, že každý výrobce má svůj preferovaný způsob přenosu výkonu na povrch vozovky. Marketingový jazyk je často vágní. Než se ponoříme do mechaniky, musíme porozumět terminologii. Tohle je skutečný chaos.
Pojem pohon všech čtyř kol je obvykle zkratka pro systém na částečný úvazek. Neměl by se používat na suchý asfalt. Je navržena pro podmínky s nízkou přilnavostí. Sněžení. Led. Špína. Současné zapojení přední a zadní nápravy na silnicích s dobrou trakcí může způsobit zadření. To vede k poruchám.
Pohon všech kol vypráví jiný příběh. Někdo tomu říká pohon všech čtyř kol. Tyto systémy jsou navrženy tak, aby fungovaly na jakémkoli povrchu. Na cestě. Mimo silnici. Jen zřídka je lze vypnout. Cílem je zajistit rovnoměrnou distribuci energie bez ohledu na podmínky.
Systémy na částečný i konstantní úvazek lze hodnotit pomocí stejného ukazatele. Ideální systém dodává každému kolu přesně to správné množství potřebného točivého momentu. Totiž maximální točivý moment, který nezpůsobuje prokluzování. Toto je limit. Pokud je překročena, ztrácí se trakce.
Začneme se základy. Grip je základní čára. Podíváme se na komponenty, které tvoří tyto převodovky. Poté prozkoumáme konkrétní implementace. Hummer, postavený AM General pro GM, je zajímavou případovou studií.
Pochopení točivého momentu je zde nutností. Stejné jako spojky. A prokluz kol. Nemůžete pochopit inženýrské principy, aniž byste věděli, jak tyto síly interagují.
Mez přilnavosti
Točivý moment je rotační síla vytvářená motorem. Toto je surová síla, která auto skutečně pohání. Převodovka a diferenciál tento točivý moment znásobí, než jej rozdělí mezi kola. První rychlostní stupeň násobí točivý moment více než pátý, protože má strmější poměr.
Představte výkon motoru jako sloupcový graf. Na tomto diagramu je specifická čára udávající práh prokluzu kola. Dobrý start nastává pod touto čarou. Pneumatiky se drží na vozovce. Špatný start překračuje tuto hranici. Pneumatiky ztrácejí přilnavost a prokluzují. Jakmile začne prokluzovat, přenos točivého momentu klesne na nulu.
Tady jde o to: V podmínkách nízké trakce motor neurčuje, kolik točivého momentu dosáhne země. Dělá to spojka. Motor NASCAR můžete dát do sedanu, ale pokud se pneumatiky nemohou přilepit na dlažbu, je ta koňská síla k ničemu.
přilnavost definujeme jako maximální sílu, kterou může pneumatika přenést na vozovku. Nebo naopak. Toto je dvojice akce a reakce. Tuto hranici určují tři hlavní faktory.
Hmotnost pneumatiky. Větší zatížení znamená lepší trakci. Váha je neustále přerozdělována. Otáčení přesouvá hmotu na vnější kola. Zrychlení jej přenáší na zadní nápravu. Brzdění to posouvá dopředu.
Koeficient tření Toto číslo udává sílu tření k normální síle držící povrchy pohromadě. Záleží na složení pryže a stavu vozovky. Hladká pneumatika NASCAR na suchém betonu má obrovský koeficient tření. To je důvod, proč mohou v zatáčkách dosahovat šílené rychlosti. Umístěte stejnou pneumatiku do bláta a poměr dramaticky klesne. Naproti tomu terénní pneumatiky s dezénem mají průměrnou přilnavost na asfaltu, ale fungují dobře na nečistotě.
Typ prokluzu kol. Interakce pneumatik s vozovkou probíhá ve dvou režimech: statickém a dynamickém.
- Statický kontakt. Pneumatika se odvaluje, aniž by klouzala vzhledem k vozovce. Statické tření je vyšší. To poskytuje vynikající přilnavost.
- Dynamický kontakt. Pneumatika klouže. Dynamické tření je nižší. Ztrácíte trakci.
Prokluzování kol nastane, když použitá síla překročí dostupnou trakci. Síla přichází ze dvou směrů.
- Podélné. Motor nebo brzdy aplikují točivý moment. To zrychluje nebo zpomaluje auto.
- Příčný. Rotace vytváří boční sílu. Pneumatiky musí odolávat změně směru.
Představte si výkonný vůz s pohonem zadních kol v mokré zatáčce. Pneumatiky mají dostatečnou boční přilnavost, aby udržely linii. Šlápneš na plyn uprostřed zatáčky. Nyní aplikujete podélný točivý moment na zadní nápravu. Přidejte tuto podélnou sílu k příčné síle. Pokud množství překročí celkový limit trakce, dojde k prokluzu kol.
Většina řidičů nikdy nepřekročí svůj limit přilnavosti na suché vozovce. Snad i na hladkých, mokrých vozovkách. To je důvod, proč systémy pohonu všech kol září v podmínkách s nízkou trakcí, jako je sníh nebo kluzké svahy.
Logika je jednoduchá. Použití čtyř kol místo dvou zdvojnásobuje potenciální podélnou sílu. Tím se zdvojnásobí objem spojek.
To pomáhá za určitých podmínek:
- Sníh. Promáčknout se sněhem vyžaduje obrovskou sílu. Vozidla s pohonem dvou kol se zastaví, pokud je sníh hlubší než několik palců, protože každé kolo má minimální trakci. Pohon všech kol využívá všechna čtyři kola k tomu, aby vás poháněla vpřed.
- Terénní. Bláto, kameny nebo přejezdy potoků často zanechávají alespoň jednu nápravu bez trakce. Pohon všech kol zajišťuje přenos síly na pneumatiky, které jsou stále v kontaktu.
- Strmé kopce. Stoupání vyžaduje stálou trakci. Všechna čtyři kola, spolupracující společně, táhnou auto nahoru, zatímco dvě mohou začít kopat.
Pohon všech kol není kouzelná hůlka. Při brzdění na ledu neposkytuje žádné výhody. Jedná se výhradně o oblast brzd a protiblokovacích brzdových systémů (ABS).
Pochopení fyziky pomáhá. Nyní se podívejme na vybavení, které tuto práci umožňuje.
Součásti systému pohonu všech kol
Mechanické trakční srdce
O přenosu výkonu na vozovku se bez rozjezdu s diferenciály mluvit nedá. Každý systém pohonu všech kol spoléhá na dva z nich: jeden je umístěn mezi předními koly a druhý mezi zadními. Teoreticky je jejich úkol jednoduchý, ale v praxi je složitý. Přijímají točivý moment z hnacího hřídele nebo převodovky a přenášejí jej na kola. Plní ale ještě jednu, neméně důležitou funkci. Umožňují otáčení levého a pravého kola různými rychlostmi.
Myslete na ostrou zatáčku. Vnější kola musí urazit větší vzdálenost než vnitřní kola. Pokud by tato kola byla pevně spojena s pevnou nápravou, pneumatiky by prokluzovaly. Skákali by. Ztratili by přilnavost. Tento geometrický problém řeší diferenciál. Umožňuje rozdíly v rychlosti mezi vnitřním a vnějším kolem bez ztráty přenosu výkonu.
V systémech pohonu všech kol je rozdělovací převodovka zodpovědná za manipulaci s rozdílem rychlostí mezi přední a zadní nápravou. Podíváme se na to později. Prozatím se zaměřme na roli diferenciálu v zatáčkách. Bez něj budete při každé zatáčce opotřebovávat pneumatiky.
Ne všechny diferenciály jsou si rovny. Typ diferenciálu, který máte, určuje, jak vaše vozidlo využívá dostupnou přilnavost. Některé mají otevřený konec. Některé jsou zablokované. Některé mají diferenciál s omezeným prokluzem (LSD). Tento rozdíl je důležitější, než si většina řidičů uvědomuje. Podívejte se, jak fungují diferenciály, abyste přesně pochopili, jak tyto komponenty distribuují energii při zatížení. Rozdíl mezi nákladním vozem, který se prodírá sněhem, a tím, který se právě zastaví, často spočívá v této jediné mechanické volbě.
Mechanika převodovky
Rozdělovací převodovka není jen krabice ozubených kol; Toto je „regulátor provozu“ vašeho přenosu. Teoreticky je jeho úkol jednoduchý: rozdělovat točivý moment mezi přední a zadní nápravu. Nicméně to, jak spravuje tuto distribuci, určuje, zda váš přenos přežije, nebo se porouchá.
V systému pohonu všech kol (AWD) musí rozdělovací převodovka umožňovat otáčení přední a zadní nápravy různými rychlostmi. Proč? Protože se auto otáčí. Pokud by byla přední a zadní kola pevně spojena k sobě, převodovka by se zadřela hned v prvním okamžiku otáčení. Aby se tomu zabránilo, je rozdělovací převodovka vybavena středovým diferenciálem, viskózní spojkou nebo podobným mechanismem. Tato zařízení umožňují, aby se přední a zadní náprava otáčely mírně odlišnými rychlostmi, přičemž stále dodávají výkon na obě nápravy. Právě to umožňuje vozidlům s pohonem všech kol suverénní jízdu na suchém asfaltu bez poškození vlastních součástí.
Systémy 4WD na částečný úvazek fungují jinak – a tvrději. V takových případech rozdělovací převodovka pevně spojuje přední a zadní hnací hřídel. Otáčejí se přesně stejnou rychlostí. Žádný prokluz není povolen.
Zdá se to normální, dokud nenajedete na suchý povrch s vysokou přilnavostí, jako je beton. Na suchém asfaltu pneumatiky nechtějí klouzat. Chtějí trakci. Když na suchém povrchu na částečný úvazek zapnete pohon všech čtyř kol, kola se budou při otáčení nuceně otáčet. Vnitřní kolo musí ujet menší vzdálenost než vnější kolo. Vzhledem k tomu, že rozdělovací převodovka jim nedovolí otáčet se různými rychlostmi, převodovka začne bojovat sama se sebou. Vzniká „napětí“ (navíjení). Výsledkem je trhavá ovladatelnost, zasekávání a rychlé opotřebení pneumatik a dílů převodovky. Proto je částečný pohon všech kol navržen výhradně pro podmínky s nízkou trakcí – sníh, bláto, štěrk – kde mohou pneumatiky volně klouzat a vyrovnávat rozdíly v rychlosti kol.
Některé převodovky jdou ještě dále tím, že nabízejí nízký rozsah. Není to pro rychlost; to je pro násobení točivého momentu. Začleněním další sady převodů systém výrazně snižuje výstupní rychlost a současně mnohonásobně zvyšuje točivý moment na kola. Při podřazení v prvním režimu se můžete plazit maximálně 5 mph (8 km/h), ale přenášená síla bude enormní. Je rozdíl mezi smykem po kameni a hladkým převalováním se po něm. Nepostradatelné pro strmá stoupání nebo náročné terénní stezky.
Uzamykatelné náboje: Odpojení převodovky
Každé kolo je připevněno k náboji. U nákladních vozidel s pohonem všech čtyř kol na částečný úvazek není tento náboj pouze pasivním spojením. Toto je aktivní spínač.
Když jedete s pohonem dvou kol, přední kola jsou stále spojena s předním diferenciálem, nápravovými hřídeli a hnacím hřídelem. To znamená, že tyto komponenty rotují, i když nevysílají energii. Tření. Teplý. Nosit.
Tento problém řeší uzamykatelné rozbočovače. Odpojují přední kola od převodovky, když není potřeba pohon všech kol. Tím se zabrání otáčení diferenciálu, nápravových hřídelí a hnacího hřídele v režimu 2WD. Výsledek? Menší rotace hmoty, menší opotřebení ložisek a ozubených kol a lepší spotřeba paliva.
Starší nákladní vozy používaly náboje s ručním zamykáním. Abyste je zapnuli, museli jste zastavit, vystoupit z auta a fyzicky otočit knoflíkem na předním kole, dokud nezacvakl na místo. Byl to jakýsi rituál. Zaručeně se zapnul ještě předtím, než jste se pokusili pohnout.
Moderní nákladní vozy používají automatické uzamykací náboje. Jednoduše přehodíte pákový přepínač v interiéru a posuvné pouzdro uvnitř náboje zapadne, čímž se hřídel nápravy zablokuje k náboji. To lze často provést za pohybu, i když některé systémy stále doporučují zastavit, aby se plně zapojily. Princip mechanismu je stejný: kluzné pouzdro, které fyzicky uzamyká hřídele přední nápravy s nábojem kola a zajišťuje, že výkon je do pneumatiky dodáván pouze tehdy, když ji potřebujete.
Elektronický mozek
Hardware je jen polovina úspěchu. Moderní vozidla s pohonem všech kol a stálým pohonem všech čtyř kol se při ovládání spojky do značné míry spoléhají na elektroniku.
Mnoho aut nyní používá ABS pro kontrolu trakce brzd. Místo toho, aby se spoléhal pouze na mechanické diferenciály nebo spojky, počítač detekuje, kdy kolo začne prokluzovat nebo ztrácet trakci. Poté selektivně přibrzdí toto konkrétní kolo. To simuluje činnost uzávěrky diferenciálu a posílá výkon na kolo, které má spojku. Není tak spolehlivý jako mechanický zámek, ale je účinný pro každodenní kluzné podmínky.
Jiné systémy používají složité elektronicky řízené spojky. Dokážou změnit přenos točivého momentu mezi koly v milisekundách a přizpůsobit se změnám povrchu rychleji, než by to kdy dokázal řidič – nebo jakákoli mechanická viskózní spojka. Na jeden konkrétní pokročilý systém se podíváme blíže později, ale trend je jasný: těžkou mechanickou práci přebírá elektronika.
Než se podíváme na tyto složité systémy, vraťme se k základům. Jak vlastně nejzásadnější částečný systém pohonu všech kol přenáší výkon z motoru na zem?
Diferenciál pohonu všech čtyř kol
Většina tradičních pick-upů a starších SUV s pohonem všech kol používá systém pohonu všech kol na částečný úvazek. Tyto vozy mají zpočátku pohon zadní nápravy. Převodovka je přímo spojena s převodovkou. Tato skříň rozděluje výkon mezi dva hnací hřídele. Jeden z nich otáčí přední nápravu a druhý otáčí zadní nápravu.
Při zapnutém pohonu všech kol spojuje rozdělovací převodovka přední a zadní hnací hřídel. Každá náprava přijímá polovinu točivého momentu motoru. Spojky předního náboje jsou současně zablokovány.
Přední a zadní náprava je vybavena otevřenými diferenciály. Tato konstrukce poskytuje lepší trakci než pohon jedné nápravy. Má však dvě významné nevýhody. První už znáte: takový systém nelze použít na suchý asfalt. Zablokovaná rozdělovací převodovka způsobuje, že se nápravy otáčí stejnou rychlostí. To má za následek zasekávání na površích s vysokou trakcí.
Druhou nevýhodou jsou otevřené diferenciály. Otevřený diferenciál rozděluje točivý moment rovnoměrně mezi dvě kola na stejné nápravě. Pokud jedno kolo ztratí trakci nebo opustí zem, točivý moment tohoto kola klesne na nulu. Protože distribuce probíhá rovnoměrně, druhé kolo rovněž dostává nulový točivý moment. I když má druhé kolo perfektní trakci, nedodává se na něj žádná síla.
Systémy částečného pohonu všech kol často selhávají, protože přenášejí točivý moment podle kola s nejmenším přilnavostí.
Ideální systém přenáší maximální točivý moment na každé kolo a zabraňuje jeho prokluzu. Podle tohoto standardu funguje základní systém špatně. Omezuje točivý moment na hodnotu, kterou prokluzující kolo vydrží.
To lze zlepšit. Vyměňte zadní otevřený diferenciál za diferenciál s omezenou svorností. To zajistí přenos točivého momentu na obě zadní kola. Další možností je uzávěrka diferenciálu. Pevně spojuje zadní kola. Výsledkem je, že každé kolo přijímá veškerý přicházející točivý moment, i když je jedno z nich ve vzduchu. To výrazně zlepšuje výkon v terénu.
Hummerův přístup k trakci
Nyní se podíváme na možná nejlepší systém pohonu všech kol, který existuje: ten, který najdeme na Hummeru.
Jak převodovka Hummer vlastně funguje
AM General Hummer není jen náklaďák s pěkným čalouněním. Je to mechanická bestie, která kombinuje těžký hardware s elektronikou a nabízí snad nejschopnější systém pohonu všech kol na trhu. A vše začíná převodovkou.
Většina základních SUV používá systém, který automaticky uzamkne přední a zadní nápravu dohromady. Hummer dělá něco chytřejšího.
Tento systém funguje následovně: převodovka je připojena k rozdělovací převodovce. Z něj jde jeden hnací hřídel dopředu k přední nápravě. Druhá hřídel jde zpět dozadu. Je to docela jednoduché. Ale tady je ta zvláštnost. Výchozí rozdělovací převodovka nenutí nápravy rotovat stejnou rychlostí. Uvnitř je sada odkrytých diferenciálů. Řidič je může odemknout nebo zamknout.
Když jsou odjištěny, přední a zadní náprava se pohybují nezávisle. To znamená, že můžete vzít Hummer na suchou vozovku, aniž byste se museli potýkat s převodovkou. Žádné mačkání. Žádná porucha součásti. Prostě plynulá jízda.
Ale přepněte vypínač. Zablokujte ho.
Otevřený diferenciál se náhle stlačí. Přední a zadní náprava jsou vzájemně propojeny. Oba mají přístup k točivému momentu motoru. Tady se děje kouzlo.
Představte si tuto situaci. Pomalu se plazíte těžkým terénem. Přední kola končí v plácku rychlého písku. Ve standardním systému se tato kola začnou otáčet. Plýtvá se energií. Hummer mění matematiku. Protože je diferenciál uzamčen, zadní kola zachycují točivý moment, který přední kola nemohou využít. Zadní kola tlačí. Přední kola… no, jsou zapadlá v blátě. Ale auto jede pořád dopředu.
Nejde jen o moc. Je to otázka distribuce. Systém Hummer zajišťuje, že každý kousek točivého momentu je odeslán tam, kde je potřeba. Pokud má přední část trakci, získává točivý moment. Pokud má zadní část trakci, získává točivý moment. Pokud má spojka pouze jeden konec, dostane všechny točivý moment.
To není teorie. To je strojírenství. A to je důvod, proč se Hummer může dostat tam, kde ostatní nákladní vozy mohou jen snít.
“Pokud přední kola narazí na rychlý písek, zadní kola získají veškerý točivý moment, který zvládnou.”
Toto je klíčová věc. Hummer neposílá výkon pouze na všechna čtyři kola. Posílá sílu na kola, která ji mohou skutečně využít. Zbytek zůstal pozadu.
Je to složité? Jistě. Elektronika čte otáčky kol, spojku a vstup řidiče. Mechanika to převádí do akce. Výsledek? Auto, které nejezdí jen po zemi. Dobývá ji.
A nejde jen o to jít rychle. Jde o to, abyste to projeli. Skrz skály. Přes bahno. Přes písek. Systém Hummer se přizpůsobí. S terénem nebojuje. Ona to používá.
Přemýšlejte o tom chvíli. Většina systémů pohonu všech kol je pasivních. Reagují. Systém Hummer je aktivní. Ona předvídá. Připravuje se. Čeká na okamžik, kdy přední kola ztratí trakci. A pak jedná.
Je to tanec točivého momentu a spojky. A Hummer jezdí.
Výhody systému Torsen a logiky blokování brzd
Přední i zadní náprava Hummer je vybavena diferenciály Torsen®. Nejde jen o marketingový tah. Tyto jednotky jsou vybaveny specifickou převodovkou, která okamžitě reaguje na změny točivého momentu. Když jedno kolo začne prokluzovat, systém zaznamená pokles točivého momentu a přesměruje výkon na kolo s trakcí. Je schopen přerozdělovat točivý moment v poměru od 2:1 do 4:1. To je obrovské zlepšení oproti otevřeným diferenciálům, které prostě posílají výkon po cestě nejmenšího odporu. Systémy Torsen však mají tvrdý limit. Pokud jedno kolo úplně ztratí kontakt se zemí, druhé nebude mít žádnou energii. Síla jde do vzduchu. Nulová přilnavost. Nulový pohyb vpřed.
K vyřešení této slepé uličky používá Hummer kontrolu trakce na bázi brzd. Je to mechanické řešení fyzikálního problému. Když senzory detekují prokluz, brzdy se upnou na rotující kolo. To plní dvě bezprostřední funkce. Za prvé zabraňuje ztrátě energie při otáčení kola ve vakuu. Nutí pneumatiku přilnout k povrchu. Za druhé, zatěžuje tuto nápravu. Toto zatížení přiměje diferenciál Torsen poslat točivý moment na druhé kolo. Systém znásobuje použitou brzdnou sílu a dodává 2 až 4krát větší točivý moment na kolo spojky. Aby se Hummer skutečně zasekl, musí všechna čtyři kola ztratit trakci zároveň. K pokračování pohybu stačí jakýkoli jediný bod kontaktu.
Skutečné rozdělení točivého momentu za provozních podmínek
Kontrola trakce brzd dělá více než jen omezení prokluzu kol. Aktivně řídí rozdělení točivého momentu. Působením značné brzdné síly na prokluzující kolo systém nutí jednotku Torsen reagovat. Výsledkem je silný nárůst točivého momentu dodávaný do pneumatiky, která skutečně má přilnavost. V extrémních případech může systém poslat téměř veškerý dostupný výkon na jedno kolo. Pokud ta jedna pneumatika drží, Hummer se pohne. Toto chování se blíží teoretickému ideálu pro systém pohonu všech kol: systém, který dodává maximální možný točivý moment na každé kolo na základě jeho dostupné přilnavosti. Tady nejde o rovnoměrné rozdělení. Jde o efektivní distribuci.
Inženýrský přístup zde upřednostňuje funkčnost před symetrií. Otevřené diferenciály selhávají, protože předpokládají, že obě kola mají stejnou přilnavost. Uzavřené diferenciály selhávají, protože ignorují rozdíl mezi silničním a terénním. Hybridní přístup Hummeru využívá brzdění k simulaci zamykání, když je to nutné, a pak se spoléhá na převody Torsen k řízení distribuce za normálních podmínek. Jedná se o vícevrstvé řešení. Brzdy zvládají pouzdra na hrany. Převody zvládají každodenní prokluzování. Společně vytvářejí hnací ústrojí, které udržuje věci v pohybu tam, kde se ostatní zastaví.
Proč je to důležité pro výkon v terénu
Většina řidičů nikdy nepřemýšlí o rozdělení točivého momentu, dokud se nezaseknou. Pak se tvrdě naučí, jak křehké jsou diferenciály pažby. Design Hummer tuto zranitelnost eliminuje. Kombinací mechanického vychýlení točivého momentu s elektronickým zásahem brzdy pokrývá všechny možné poruchové režimy. Kolo na kameni? Torsen to řeší. Kolo v bahně? Brzdy to blokují, Torsen posílá výkon jinam. Kolo ve vzduchu? Brzdy zastaví rotaci, Torsen tlačí kolo na zem. Systém nereaguje jen tak. Ona předvídá. Vypočítá cestu nejmenšího odporu a zablokuje ji.
Nejde jen o to dostat se z příkopu. Je to otázka důvěry. Můžete věřit tomu, že přenos najdete
