Rozwój napędu na cztery koła - od automatyki do napędów wirtualnych [część 2]

W poprzedniej części artykułu o napędach na cztery koła mogliście przeczytać o kierunku, w którym wyewoluowały proste rozwiązania. Tym razem przeczytacie co o skomplikowanych systemach 4x4 oraz kierunku rozwoju wszystkich układów napędu na cztery koła.

W tym samym czasie nastąpił gwałtowny rozwój nieco bardziej skomplikowanych układów napędowych. Wszystko za sprawą rajdów samochodowych. Kto chciał w latach 90. przystąpić do zmagań o rajdowe mistrzostwo świata, musiał mieć produkcyjny samochód z napędem 4x4. Ważną rolę odegrali tutaj Japończycy i wcale nie mowa o Subaru, ale o takich producentach jak Mazda, Mitsubishi, Nissan i Toyota, a jeszcze wcześniej włoska Lancia. Każdy z nich próbował sił w WRC, ale też każdy z samochodów przygotowanych do sportu motorowego miał silnik umieszczony poprzecznie. Subaru nie miało z tym żadnych problemów, ponieważ ich bokser był umieszczony wzdłużnie, ale pozostali musieli zaprojektować nowy sposób przeniesienia napędu. Nie było mowy o układzie dołączanym, konieczny był napęd stały.

Oczywiście wszystko jest do zaprojektowania i rozwiązania, dlatego też samochody z silnikiem poprzecznym miały centralny mechanizm różnicowy, ale trzeba zwrócić uwagę na fakt, że żaden z tych samochodów nigdy nie był ani popularny, ani też nie stał się hitem sprzedaży, a rozwiązanie to w zasadzie nie przetrwało próby czasu. Powodów jest kilka – cena, kiepski rozkład masy i poziom skomplikowania konstrukcji.

Pytanie brzmi może dość przewrotnie, ale prawda jest taka, że stały, tradycyjny napęd 4x4 ma więcej wad niż zalet. Poza tym, że jest dość skomplikowany, wymaga modyfikacji skrzyni biegów, jest też ciężki i nieekonomiczny i nie działa tak jak trzeba. Teoretycznie, napęd stały z centralnym mechanizmem różnicowym nie daje prawie żadnych korzyści w porównaniu z napędem na jedną oś. Wystarczy, że jedno koło straci przyczepność i trzy pozostałe stoją w miejscu bezradnie. Również teoretycznie, napęd na cztery koła przegrywa z napędem na jedną oś, ponieważ gdy auto na przykład przednionapędowe stanie tylnymi kołami na bardzo śliskim podłożu to ruszy z miejsca, a czteronapędowe już nie. Dwukrotnie zwiększa się ryzyko niemożliwości ruszenia z miejsca w trudnych warunkach, na przykład na śniegu.

Oczywiście teoria to jedno, ale praktyka pokazała, że nawet taki układ ma swoje zalety, zwłaszcza podczas jazdy z dużą prędkością po śliskiej nawierzchni. Jednak faktem jest, że napęd stały jest sam w sobie kiepskim rozwiązaniem. Dlatego trzeba było koniecznie sprawić, by chociaż centralny mechanizm różnicowy miał możliwość blokowania. Zaczęto więc stosować różnego rodzaju szpery mechaniczne i hydrauliczne, których zadaniem miało być częściowe blokowanie centralnego mechanizmu różnicowego. Szpery mechaniczne były znane już od dawna, ale sporo kosztowały, a jednocześnie nie do końca nadawały się do aut produkcyjnych używanych na co dzień. Poza tym znów trzeba było znaleźć dla nich miejsce. Niektórzy producenci, na przykład Alfa Romeo poszli innym kierunkiem i zamiast skomplikowanego układu ze szperą wymienili klasyczny mechanizm różnicowy na taki, który sam w sobie by się blokował, np. Torsen. Niestety jest to znów urządzenie drogie i niezbyt doskonałe. Większość zdecydowała się na blokowanie dyferencjału sprzęgłem wiskotycznym.

W świecie samochodów terenowych hydrauliczne, samoczynne blokady stosował m. in. Jeep, a mechanizm typu Torsen Land Rover w Range Roverze. Jednak Land Rover pokazał inny kierunek, w którym mieli iść wszyscy… choć nie poszli. Wraz z debiutem drugiej generacji modelu Discovery z centralnego mechanizmu różnicowego zniknęła klasyczna blokada, a w jej miejsce pojawił się układ kontroli trakcji. Rozwiązanie teoretycznie absurdalne, ale w niezbyt wymagającym terenie spisywało się lepiej niż klasyczne blokady. Kontrolę trakcji długo stosowano w modelu Defender. Problemem w terenówkach był brud i błoto, które często „dezaktywowały” kontrolę trakcji. Jednak w samochodach osobowych wydawało się to mieć sens. Czas pokazał, że i to nie jest najlepsze rozwiązanie. Zarządzanie klasycznym napędem za pomocą kontroli trakcji było trudne i mało wydajne.

Kontrola trakcji nigdy nie została rozpowszechniona jako układ blokujący centralny mechanizm różnicowy, a to spowodowało przejście tradycyjnych rozwiązań w pewne nisze rynkowe, w których cena nie miała kluczowego znaczenia. Stały napęd na cztery koła rozwinął się więc w skomplikowany system z blokadami elektronicznymi lub wiskotycznymi, nierzadko dwiema na jeden mechanizm różnicowy lub układy dyferencjałami o ograniczonym uślizgu. Taki napęd stał się drogi, skomplikowany i sprawdzał się tylko w dużych samochodach. To spowodowało…

Choć mogłoby się dziś wydawać, że rodzajów napędu na cztery koła jest bez liku, to w rzeczywistości wyraźnie podzielił się on na dwie klasy. Stały napęd na cztery koła pozostał w samochodach terenowych i luksusowych, a także w niektórych sportowych lub usportowionych, a napęd dołączany znalazł zastosowanie właściwie we wszystkich klasach i segmentach. Łatwiej pod względem nazwy byłoby podzielić dziś układy napędowe na tradycyjne (z centralnym mechanizmem różnicowym) i automatyczne. Tradycyjne pozostały właściwie tylko w markach, które do tej tradycji chcą nawiązywać, m. in. Subaru (Symmetrical AWD), Toyota (terenowe) czy Audi (quattro).

W czasie gdy rozwijano, zwłaszcza w sporcie motorowym, napędy stałe, konstruktorzy napędów dołączanych tylko czerpali z tego korzyści. Przełom XX i XXI wieku był okresem, w którym rozwój napędów aktywnych w WRC doprowadził ten sport do ruiny. Jednak korzyści jakie z tego wynikły, są nie do przecenienia. To, co można było znaleźć w topowych odmianach seryjnego Mitsubishi Lancera Evolution, później trafiło do samochodów kompaktowych i klasycznych sedanów, ale w znacznie prostszej formie. Rozwój częściowych blokad i sprzęgieł hydraulicznych oraz elektromagnetycznych, stosowanych w skomplikowanych napędach WRC, tylko przyspieszył rozwój napędów dołączanych, pracujących w oparciu o takie właśnie sprzęgła. Jeśli ktoś uważa, że napęd dołączany znajduje zastosowanie tylko w autach tanich i prostych, niech wie, że z takich rozwiązań korzystają m. in. Porsche i Lamborghini. Nawet BMW w napędach xDrive zdecydowało się na zmianę mechanizmu różnicowego na sprzęgło sterowane elektronicznie, a Subaru w modelach z automatyczną skrzynią biegów wybrało właśnie sprzęgło wielopłytkowe zamiast tradycyjnego dyferencjału.

Napęd ze sprzęgłem Haldex jest dziś jednym z najczęściej wykorzystywanych i najdoskonalszych napędów dołączanych, znacznie przewyższający prostsze, tradycyjne rozwiązania z centralnym dyferencjałem. Napęd dołączany pod kontrolą elektroniki bardzo dobrze współpracuje z systemami kontroli toru jazdy i pozwala niemal dowolnie projektować charakterystykę prowadzenia samochodu, co przełożyło się na popularność tego rozwiązania w najlepszych samochodach sportowych świata. W dodatku cena i ekonomia wynikająca ze stosowania takich rozwiązań sprawiły, że napęd klasyczny przechodzi powoli do historii i tylko do pewnego czasu będzie stosowany w tradycyjnych markach i modelach.

Choć początkowo wydawało się, że napęd stały wciąż będzie miał olbrzymią przewagę nad napędem automatycznym, ten pogląd szybko zweryfikował czas. Producenci mając już opanowaną sztukę tworzenia prostych napędów dołączanych zaczęli je… komplikować. Idąc śladem najbardziej zaawansowanych rozwiązań znanych z napędów stałych, niektórzy pokusili się o wprowadzenie aktywnych mechanizmów różnicowych w tylnej osi, mających służyć zjawisku wektorowa momentu obrotowego. Prekursorami tego rozwiązania były takie marki jak Mitsubishi w Lancerze Evo oraz Honda w modelu Legend. Jednak sztukę tę do dziś rozwijają i upowszechniają przede wszystkim Audi, BMW i Porsche mimo skrajnie różnych układów napędowych. Szansę na wprowadzenie aktywnego mechanizmu różnicowego w tylnej osi współpracującego ze sprzęgłem wielopłytkowym, dołączającym napęd dostrzegł też Nissan, który rozpowszechnił system Torque Vectoring w stosunkowo tanim napędzie ALL-Mode 4x4i, znanym z modelu Qashqai czy Juke.

Co nas czeka w najbliższej przyszłości? Przede wszystkim jeszcze bardziej wyraźny podział na rozwiązania proste i tradycyjne, ale z drugiej strony zbliżenie napędu dołączanego pod względem skuteczności działania do najlepszych napędów stałych. Dziś w zasadzie napęd stały stosowany jest tylko w samochodach klasy premium, o wysokich osiągach i terenowych, co zresztą wzajemnie się nie wyklucza. Napędy stałe w samochodach sportowych opierają się na aktywnym sterowaniu centralnym dyferencjałem oraz aktywnym mechanizmie różnicowym w tylnej osi z systemem Torque Vectoring. Tu nie ma specjalnie miejsca na kompromisy, ale wydaje się, że era skomplikowanych rozwiązań, które w samochodach osobowych stosuje obecnie już właściwie tylko Audi i Subaru powoli mija. Stosowanie mechanizmów różnicowych typu Torsen czy dwóch sprzęgieł płytkowych w centralnym dyferencjale jest niezwykle kosztowne przy uwzględnieniu niedużych korzyściach w porównaniu z napędami automatycznymi.

Z kolei w samochodach terenowych nie ma już mowy o tym, by centralny mechanizm różnicowy nie był blokowany, sterowany, ustawiany i konfigurowany bez udziału elektroniki. Powoli jego miejsce również zajmują sprzęgła wielopłytkowe, czego przykładem jest Nissan Pathfinder poprzedniej generacji. Zamiast mózgu kierowcy, w terenie używa się skomplikowanych układów przeniesienia napędu, takich jak Terrain Response (Land Rover) czy Selec-Terrain (Jeep), w które wszczepiono elektroniczne mózgi zaprojektowane przez konstruktorów i dziś pozwala się kierowcy jedynie dokonać wyboru podłoża, do jakiego napęd poprzez odpowiednie ustawienie blokad i kontroli trakcji ma się dostosować. W środowisku Land Rovera żartuje się, że układ Terrain Response to zebranie wszystkich doświadczeń w jeździe offroadowej i przeniesienie ich do komputera samochodu. Czy to przyszłość samochodów terenowych? Na szczęście nie, bo w tradycyjnych terenówkach pozostaną prostsze konstrukcje, z blokadą lub pierwotny napęd dołączany. Pytanie tylko, czy za kilka lat będą na rynku jeszcze tradycyjne terenówki?

Systemy automatyczne już dziś osiągnęły w zasadzie wszystko, co mogły osiągnąć pod względem przeniesienia napędu. Przykładem mogą być napędy samochodów z systemem Haldex, których oprogramowanie sterujące pracą dobierane jest pod kątem sposobu użytkowania. Najlepszym przykładem jest porównanie skrajnie różnych modeli, takich jak Škody Yeti i Audi TT, których konstrukcyjnie napędy wyglądają identycznie. Jednak Škoda zaprogramowała sprzęgło i kontrolę trakcji tak, by auto było mobilne w każdej sytuacji i miało trakcję nawet wtedy, gdy jedno z kół ma przyczepność. I choć geometria i właściwości terenowe tego crossovera są daleko za wieloma konkurentami, to system 4x4 dopóki nie zmierzy się z ekstremalnym brudem i błotem, albo nie zostanie przeciążony, jest niemal tak sprawny jak napędy klasycznych terenówek z blokadami. Z drugiej strony mamy kompaktowe auto o sportowej sylwetce, które ma dawać chociaż namiastkę sportowych wrażeń. Dzięki systemowi Audi Drive Select, kierowca Audi TT może wybrać charakterystykę prowadzenia od typowo przednionapędowej, podsterownej po niemal tylnonapędową, wykazujące sporą nadsterowność.

W samochodach sportowych, układy automatyczne odnalazły się doskonale. Dzięki silnikowi umieszczonemu wzdłużnie, głównym odbiorcą napędu jest oś tylna. Już przez to, charakterystyka prowadzenia jest odpowiednia do charakteru auta. Przeniesienie mocy na przednie koła następuje automatycznie wtedy, gdy zdecyduje o tym komputer zarządzający sprzęgłem wielopłytkowym. Pozwala to zmieniać samochód typowo tylnonapędowy w neutralną, niemalże czteronapędówkę, ale wciąż o nadsterownej charakterystyce prowadzenia. Warto zauważyć, że ze sprzęgła wielopłytkowego Porsche korzysta tak samo w 911 Carrera 4 z silnikiem z tyłu, jak i Cayenne, Panamerze czy Macanie z silnikiem z przodu. Co więcej, Porsche mimo pokrewieństwa np. Macana z Audi Q5 nie zdecydowało się na przejęcie tradycyjnego rozwiązania z napędem opartym na Torsenie, lecz zastosowało właśnie elektronicznie sterowane sprzęgło płytkowe, choć umieszczone w tradycyjnej przystawce rozdzielającej napęd na dwa wały. Porsche wybrało takie właśnie rozwiązanie by móc w większym zakresie regulować charakterystykę pracy napędu. Podobne posunięcie zrobiono w BMW w napędzie xDrive.

Kolejnym krokiem będzie automatyczny napęd z możliwością jego całkowitego odłączenia. By zrozumieć o co dokładnie chodzi, musicie wiedzieć, że wiele napędów z dołączaną osią poprzez sprzęgło wiskotyczne jest tak skonstruowanych, by zawsze występowała niewielka różnica obrotów kół przednich i tylnych. A zatem zwykle sprzęgło pracuje nieustannie, choć w bardzo niewielkim stopniu. Robi się to po to, aby napęd włączał się szybciej, a sprzęgło zawsze było gotowe do działania. Jest to problem, ponieważ w układzie pojawiają się zbędne opory, a moment obrotowy, który przez to trafia na tylne koła jest tak mały, że właściwie pozostaje bez znaczenia.

Trochę zmieniło się to gdy zaczęto stosować sprzęgła cierne sterowane hydraulicznie, elektrycznie czy elektromagnetycznie. Jednak problem z niepotrzebnym marnowaniem energii wciąż pozostaje, ponieważ nawet jeśli napęd nie jest przekazywany na drugą oś, to i tak silnik napędza wał napędowy – zupełnie niepotrzebnie. Wyłączenie napędu poprzez naciśnięcie przycisku 2WD nic nie zmienia – wał napędowy nadal się kręci, choć sprzęgło zostaje nieaktywne.

Problem ten rozwiązuje system odłączający całkowicie wał napędowy od skrzyni biegów, dzięki czemu podczas jazdy na wprost i bez poślizgu wał napędowy w ogóle się nie kręci. Pionierem w takich rozwiązaniach jest firma GNK, znany dostawca napędów dołączanych, która opracowała Disconnect All-Wheel Drive System, znany też pod nazwą handlową Active Driveline w Land Roverze. Układ ten nie tylko odłącza wał napędowy, gdy nie jest potrzebny, ale też w tylnej osi nie ma mechanizmu różnicowego, którego rolę przejęła para sprzęgieł wielotarczowych, sterowanych elektronicznie. Podobny system zastosowano wcześniej w Hondzie Legend, jednym z pionierów systemu Torque Vectoring. Daje to kolejną zaletę, polegającą na wyłączeniu z pracy również tylnej przekładni, by koła tylne obracały się swobodnie w taki sposób, jakby w ogóle nie było tylnego mostu. Prawdopodobnie jest to przyszłość układów napędowych z dołączaną osią, ponieważ korzyści to nie tylko mniejsze opory toczenia, ale też możliwość zastosowania systemu Torque Vectoring w praktycznie każdym aucie.

Nie jest już żadną tajemnicą czy nowością fakt, że przyszłość należy do pojazdów z napędem hybrydowym. Nie ma już segmentu, w którym taki napęd nie byłby powszechnie stosowany. Nie ma też oporów przed tym, by samochody sportowe były napędzane właśnie w ten sposób. Korzyści płynące z posiadania w aucie więcej niż jednego silnika, pozwoliły konstruktorom zastanowić się nad nowym podziałem napędu na osie. Jeśli każda z osi może mieć swoje źródło napędu, to można zapomnieć o wale napędowym i całym systemie przeniesienia napędu. Takie rozwiązania stosuje się już od dłuższego czasu, a ich szybki rozwój zawdzięczamy motorsportowi. Tym razem nie WRC, ale WEC. W wyścigach długodystansowych napędy hybrydowe to już norma i to właśnie na tym poligonie dopracowano do perfekcji coś, co dziś można śmiało nazwać wirtualnym napędem na cztery koła.

Wirtualny napęd to najprostszy ze wszystkich układów napędowych stosowanych w samochodach i jednocześnie najdoskonalszy. Wyeliminowanie połączenia między osiami bardzo upraszcza system, a wirtualne połączenie zarządzanie napędem tylko i wyłącznie za pośrednictwem elektroniki, bez udziału mechaniki, pozwala dowolnie kreować charakterystykę pracy układu napędowego. Centralny dyferencjał, blokady, sprzęgła wielopłytkowe – te urządzenia przechodzą do historii jako przestarzałe, ciężkie, nieekonomiczne, drogie i niedoskonałe. Do historii przechodzi też wał napędowy, który powoduje opory, wibracje i wymaga kompromisów w ukształtowaniu podłogi samochodu. W wirtualnym napędzie 4x4 nie ma już problemów do rozwiązania, wynikających z mechanicznego połączenia osi, zależności między nimi i wszystkich tego wad.