Autoforum

/

Foto: Archiv Autoforum.cz

Okolo pohonů 4x4 koluje řada mýtů a polopravd. Jak tedy opravdu fungují jednotlivé systémy, jaké jsou trvalé a jak je to s rozložením mezi nápravy?

O pohonech všech kol v automobilech již bylo napsáno mnohé. Přesto některé otázky zůstávají nezodpovězeny zcela, nebo jen velmi zkresleně. Podívejme se proto společně na zajímavosti pohonu 4x4 trochu podrobněji po technické stránce. Cílem nebude detailní rozbor fines jednotlivých výrobců, ale spíše komplexní pohled na obecné souvislosti spojené s konstrukcí jednotlivých systémů. Některé závěry a zjištění budou možná pro někoho dost překvapivé, protože nebyly dosud nikde takto uceleně publikovány a navíc se značně rozcházejí s obvyklými názory PR-oddělení automobilek.

O přínosech pohonu všech kol asi není nutné příliš diskutovat. Jde především o zlepšení trakce rozdělením celkové tažné síly auta na více kol. Na kvalitním podkladu se to většinou příliš neprojeví, v horších podmínkách už ale rozdíl může být výrazný. A nejde jen o schopnost vyjet zasněžený kopec, přínosem je celkově lepší chování auta, stabilita i bezpečnost. Když se tažná síla dvou hnacích kol přerozdělí na čtyři kola, zbude větší rezerva pro zachycení bočních sil například v zatáčkách, při poryvech větru nebo ve vyjetých kolejích a směrová stabilita auta se zákonitě zlepší. Samozřejmě jsou zde i nevýhody, pohon všech kol určitě zvyšuje cenu auta, jeho hmotnost i spotřebu a případné servisní náklady. Kvůli zvýšení hmotnosti a odporů snižuje při dobrých podmínkách i dynamiku, tu ale na kluzkém povrchu naopak zase zlepší. U některých aut se také mluví o zhoršení jejich řiditelnosti, například u BMW. Nás ale budou zajímat především technické aspekty pohonu všech kol, které vedly k různým konstrukčním řešením.

Tak jako v případě pouze jedné poháněné nápravy musí i systém 4x4 respektovat fakt, že kola na autě rotují vzájemně odlišnými rychlostmi. Dochází k tomu především v zatáčkách z důvodu různě dlouhých drah jednotlivých kol, ale i při jízdě v přímém směru díky jejich mírně odlišným valivým poloměrům. Pokud bychom spojili všechna kola pevným konstantním převodem a donutili je tak silou ke stejným otáčkám, tato síla by převody extrémně namáhala a kola by se navíc musela mírně smýkat po podkladu. Kromě vysokého opotřebení dílů by auto bylo obtížně ovladatelné. Na nápravách řeší problém obvykle diferenciály, tedy součástky rozvádějící točivý moment na obě kola a umožňující zároveň jejich rozdílné otáčky. Nabízí se tedy využít diferenciál i pro propojení obou náprav. Věc má ale své úskalí.

Trocha opakování - jak funguje diferenciál

Nejprve si připomeňme, co vlastně diferenciál dělá, například ten, co je umístěný na nápravě. Pozor, na nápravě je diferenciál obvykle umístěn ve společné skříni se stálým převodem (přímým nebo pravoúhlým) a celá tahle bedna se hovorově také nazývá diferenciál. Z technického pohledu je ale diferenciálem pouze ona vnitřní součástka tvořená klecí, satelity a planetovými koly, jež má speciální a velmi důležitou funkci. Rozděluje přiváděný točivý moment na dvě stejné poloviny a každou polovinou momentu zásobuje jeden výstup, jedno kolo. Z fyzikálního pohledu jde o rovnováhu na rovnoramenné páce, diferenciál udržuje rozdělení momentů v poměru 50:50 % trvale a bez ohledu na vnější podmínky. A co je hlavní, dovolí zároveň rozdílné otáčky kol, ovšem pouze ve smyslu že o kolik se sníží otáčky jednoho kola, o tolik se zvýší otáčky druhého. Takový diferenciál se nazývá otevřený, což neznamená, že je v něm nějaké okno, ale že své základní rozdělení momentů nijak dále neovlivňuje.

Tento obrázek ukazuje jednotlivé součásti diferenciálu

Funkci takového diferenciálu si můžeme snadno představit jako kladku upevněnou na závěsu, na níž je z každé strany pověšeno stejné závaží. Pro jednoduchost zanedbáme hmotnost kladky, lana i případné setrvačnosti při pohybu. Každá strana lana je zatížena stejně, silou rovnající se polovině, tedy 50% celkové síly F, kterou kladka zatěžuje závěs. Závaží můžeme ručně posouvat do libovolné výšky a rovnováha sil zůstane stále stejná. O kolik posuneme jedno závaží nahoru, o tolik klesne druhé dolů. Stále ale platí rovnovážný stav sil 50:50. Celou kladku můžeme zvedat nahoru a s ní i obě závaží.

Otevřený diferenciál na spodním obrázku pracuje zcela analogicky. Modrý kruh představuje satelit otočně spojený s klecí diferenciálu. Na klec směřuje hnací moment z převodovky a snaží se jí otáčet. Tím se na satelit přenáší hnací síla F a ta se stejně jako u kladky dělí na dvě poloviční síly působící přes ozubení na obě planetová kola a vyvolává na jejich poloměrech hnací momenty kol, každý o velikosti 50% původního hnacího momentu z převodovky. Vstupní moment se proto dělí trvale v poměru 50:50.

Schéma fungování otevřeného diferenciálu

Podobně jako jsme posunuli závaží na kladce nahoru a dolů, i kola auta se mohou proti sobě vázaně protáčet. O kolik se jedno otočí na jednu stranu, o tolik se musí druhé otočit opačným směrem. A stejně jako zvedání celé kladky uvedlo do pohybu obě závaží, i pohyb klece zároveň se satelitem uvádí do pohybu současně oba hnací hřídele kol. Dle zákona akce a reakce musí být hnací moment na každém kole v souladu s jeho hnací silou přenášenou na vozovku. Pokud se při ztrátě adheze jednoho kola hnací síla jednostranně sníží, přes volně otočný satelit se díky trvalému poměru 50:50 ihned sníží i moment kola na druhé straně

Poznámka: ve skutečném diferenciálu bývají pro snížení namáhání satelity dva, na rozklad výstupních momentů to ale nemá žádný vliv.

Otevřený diferenciál a prokluz kol

Při dobré adhezi je „neaktivní” chování diferenciálu výhodou, pokud se ale například jedno z kol dostane na horší podklad než druhé a jeho trakce se prokluzem omezí, nastává problém. Prokluzem dojde ke snížení obvodové tažné síly kola a dle zákona akce a reakce se na tomto kole sníží i moment. A protože otevřený diferenciál udržuje na obou kolech stále stejné momenty, snížení momentu jednoho kola ihned postihne stejnou měrou i opačné kolo. To také ztratí odpovídající část své hnací síly, přestože je na dobrém podkladu. Výsledkem je, že snížení adheze jednoho kola se na tažné síle auta projeví dvojnásobně.

Někdy se mylně tvrdí, že síla „utíká cestou menšího odporu“ prokluzujícím kolem a auto nemá vůbec žádnou trakci. To je samozřejmě nesmysl, žádné auto s prokluzujícím kolem by se pak nikdy nemohlo rozjet, třeba ani na suchém asfaltu. Ve skutečnosti pokud se kolo dotýká podkladu, i v případě prokluzu vždy nějakou trakci má a díky trvalému poměru momentů 50:50 táhne stejně velkou silou i opačné, neprokluzující kolo. Jestli to ještě stačí k pohnutí autem je ovšem otázka velikosti aktuálních jízdních odporů.

S otevřeným diferenciálem stačí velký prokluz jednoho kola, aby se vůz obtížně pohnul z místa

Ale zpátky k pohonu všech kol. Pokud bychom opravdu pro spojení obou náprav použili otevřený diferenciál, auto by pak mělo tři otevřené diferenciály, dva nápravové a jeden mezinápravový. Hnací momenty by se dělily mezi všechna čtyři kola opět rovným dílem, v poměru 25:25:25:25. Což má ovšem zásadní důsledek, snížení adheze jen jediného kola třeba na polovinu by automaticky snížilo na polovinu i tažnou sílu všech ostatních kol. A při úplné ztrátě trakce jediného kola by auto ztratilo tažnou sílu zcela, přestože se jedná o trvalou čtyřkolku.

Je tedy jasné, že pohon všech kol musí splňovat dost protichůdné požadavky. Měl by umožnit rozdílné otáčky kol třeba v zatáčkách, při prokluzu ale naopak musí rozdílné otáčky kol omezovat. V minulosti bylo proto vyvinuto několik různých systémů, které se snaží situaci nějak řešit. Konstrukce se v zásadě se děli na pohony s trvalým pohonem jedné nápravy a dočasným připojováním druhé pomocí spojky, a na pohony s trvalým připojením obou náprav prostřednictvím diferenciálu. Nejběžnější z nich si popíšeme.