Samochód terenowy – układ napędowy [część 2] 

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.

Nie powinno więc nikogo dziwić stwierdzenie, że samochód z napędem na jedną oś, ma w rzeczywistości napęd na jedno koło. Jeśli w aucie 4x4 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 quattro z Torsenem).

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 %.

Aktywny mechanizm różnicowy Audi

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.

Układ napędu na cztery koła ze sprzęgłem Haldex IV

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.

Geometria kół. Co to właściwie jest?

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.

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.

Jak zadbać o przewody hamulcowe w naszym aucie?

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.

Jak zapobiec zerwaniu paska rozrządu?

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.

Źródło: off-road.pl • arb.com.au • 4wdandsportutility.com