Pierwszy projekt samochodu z napędem na 4 koła miał elektryczny napęd kół bazujący na silnikach elektrycznych w piastach oraz dodatkowym silniku spalinowym. Niestety waga akumulatorów spowodowała, że ładowność tego wynalazku była ograniczona do 4 osób, co stanowiło poważne utrudnienie z uwagi na fakt, że pojazd był przewidziany do transportu ładunków na froncie.
Za pierwszą konstrukcję pozwalającą na w pełni mechaniczne przekazywanie napędu na wszystkie koła uważa się pojazd Spyker produkowany w Holandii od 1902 roku. Był on wyposażony w silnik spalinowy oraz międzyosiowy mechanizm różnicowy przekazujący napęd na przednią i tylną oś. Taki model napędu na 4 koła przetrwał dziesięciolecia i jest stosowany w niektórych pojazdach do dziś. Praktycznie wszystkie samochody ze stałym napędem 4 kół jeszcze do niedawna wykorzystywały to rozwiązanie.

Międzyosiowe mechanizmy różnicowe
W chwili wprowadzenia odłączanego napędu przedniej osi w samochodach terenowych (Gaz, Uaz, Mercedes G, Nissan Patrol, Suzuki Samurai i inne) w skrzyni rozdzielczej zrezygnowano z międzyosiowego mechanizmu różnicowego. Oznacza to, że napęd normalnie przekazywany był na koła tylne, natomiast po włączeniu napędu przedniej osi tylne wyjście ze skrzyni rozdzielczej było na sztywno sprzęgane z wyjściem napędu przedniej osi. Rozwiązanie to miało niebagatelne zalety w ciężkim terenie, ponieważ wymuszało równy rozdział napędu między przednią i tylną oś, natomiast bardzo utrudniało poruszanie się po drogach utwardzonych.
Podczas jazdy po łuku koła jednej osi obracają się z różną prędkością obrotową, co oznacza, że przebywają w tym samym czasie różną drogę. Różnica ta – w ramach jednej osi – jest kompensowana przez mechanizm różnicowy. Rozpatrując to zjawisko w skali 4 kół, okazuje się, że mimo tego, iż tylne koła mają różne prędkości obrotowe, to dodatkowo prędkości obrotowe kół przednich nie pokrywają się z nimi, ponieważ te toczą się po innym łuku niż koła tylne. Przy równym i „sztywnym” rozdziale napędu między tył i przód następuje zjawisko „mocy krążących”, czyli mocy, których układ napędowy nie jest w stanie przekazać na podłoże przez sztywne zesprzęglenie przedniej i tylnej osi. W takim przypadku dochodzi do niebezpiecznych naprężeń w układzie napędowym. W terenie i przy niskiej przyczepności następuje uślizg kół. W przypadku jazdy po drodze z dobrą przyczepnością może dojść do uszkodzenia mechanizmów przeniesienia napędu. Problem ten występuje także w przypadku użycia różnych wymiarów opon na osi przedniej i tylnej.
Aby uniknąć tego typu problemów, zdecydowano o ponownym stosowaniu międzyosiowych mechanizmów różnicowych, które umożliwiły korzystanie ze stałego napędu na 4 koła także podczas jazdy po nawierzchniach utwardzonych. Międzyosiowy mechanizm różnicowy na wypadek jazdy w trudnym terenie był wyposażany w blokadę, która wymuszała równy rozdział napędu.

Specyfika jazdy w terenie
Opisane wcześniej rozwiązania doskonale sprawdzają się w zastosowaniach terenowych, jednak w samochodach osobowych nie ma potrzeby sztywnego przekazywania napędu na wszystkie koła, ponieważ w niektórych sytuacjach utrudniałoby to prowadzenie pojazdu. Specyfika jazdy po drogach utwardzonych oraz wymagania odnośnie dynamiki pojazdu wymuszają, aby napęd był przekazywany na wszystkie koła pojazdu, jednak z zachowaniem odpowiedniej proporcji zależnej od wielu czynników. Podstawowym z nich jest sposób umieszczenia silnika i napędzania głównej osi pojazdu oraz rozkład masy w pojeździe.
Najczęstszym rozwiązaniem w przypadku samochodów oryginalnie wyposażonych w silnik z przodu i napęd przedniej osi jest dodatkowe wyjście wału napędowego przenoszącego moment obrotowy do tylnego mechanizmu różnicowego. Wał napędowy napędzany jest najczęściej za pośrednictwem wielopłytkowego sprzęgła ciernego, którego poślizg jest regulowany za pomocą siłownika ściskającego pakiet płytek. Takie rozwiązanie stosuje się między innymi w Fiacie 500.

Przekazywanie momentu obrotowego
Sterowanie napędem tylnej osi przez sprzęgło cierne pozwala na przenoszenie odpowiedniej ilości momentu napędowego zależnej od aktualnie panujących warunków jazdy. Sprzęgło takie najczęściej posiada wstępne naprężenie, które w normalnych warunkach jazdy przenosi od 5 do 10% momentu napędowego na tylną oś. Gdy konieczne jest przekazanie większej ilości momentu obrotowego na tylną oś, siłownik dociska płytki, dzięki czemu zwiększa się tarcie między nimi i większa część momentu obrotowego przekazywana jest na tylną oś. Ilość przekazywanego napędu jest określana przez czujniki obrotu kół, przyspieszenia pojazdu i szereg innych parametrów, takich jak choćby pozycja pedału przyspieszenia.
W najnowszych konstrukcjach już 6-stopniowe wyprzedzenie obrotów kół przednich w stosunku do tylnych oznacza dla komputera sterującego napędem, że przednie koła znajdują się w poślizgu. W tym momencie dołączany jest napęd kół tylnych, aby wyrównać prędkość obrotową kół obu osi. Oczywiście do tego odczytywane są dane z czujników obrotów każdego z kół i przyspieszenia bocznego, aby stwierdzić, czy samochód nie porusza się po łuku i nie wprowadzić dodatkowego czynnika pogłębiającego poślizg pojazdu.

Więcej w wydaniu 11/2015 "autoEXPERTA"

Maciej Blum