Systémy pohonu všech kol: Čtyři jsou víc než dva

Úvod

Pohon všech kol zažil svůj první velký boom ve druhé polovině 80. let. Do té doby byl záležitostí výhradně terénních automobilů. Výjimku tvořily značky Subaru AWD od 70. let, Audi Quattro a exotický Jensen FF (Fergusson Formula) z 60. let, který se stal historicky prvním silničním vozem s pohonem všech kol (a také první autem s ABS). Od uvedeného období začaly automobilky nabízet pohon 4x4 v masovém měřítku. Objevil se třeba první Mercedes-Benz 4Matic či BMW s pohonem všech kol (tehdy se mu ještě neříkalo xDrive). Své „čtyřkolky“ nabízely také Volkswagen (Syncro), Opel (vzpomínáte na Fronteru či Calibru 4x4?), Peugeot (405 X4 či T16), Renault (systém Quadra), Lancia (Integrale), Alfa Romeo (Permanent 4 později Viscomatic) a takto bychom mohli pokrčovat. Vozy SUV v té době ještě takřka neexistovaly, takže systém, kdy motor roztáčí permanentně všechna kola, našel své uplatnění hlavně u výkonných modelů sportovního charakteru. A samozřejmě u offroadů či pick-upů.

Zapálenost pro čtyřkolky byla ovšem v té době tak masová, že vznikala auta s tímto druhem pohonu, nad nimiž by se dnešním účetním, hlídajícím náklady automobilek na vývoj a výrobu, protáčely panenky. Stačí vzpomenout třeba na maličký hranatý Fiat Panda 4x4 či naopak první Renault Espace Quadra. Pohon všech kol se objevil i u vozů luxusní třídy, Třeba u Fordu Scorpio, Audi V8 či Renaultu Safrane, později v Jaguaru X-Type.

Už tehdy stáli za vývojem většiny systémů externí dodavatelé. Jedním z nejpopulárnějších byl systém od rakouské firmy Steyer, případně britské GKN, jejichž řešení s centrálním planetovým diferenciálem v lepších verzích blokovaného viskosní lamelovou spojkou, případně jen s viskosní spojkou doplněnou o volnoběžku a přemosťovací zubovou spojku, používala celá řada výrobců. Byla to právě viskosní spojka, která umožnila masovější nasazení pohonu všech kol i u relativně levných vozidel.

Zanechme však historie a pojďme se podívat, jak je na tom pohon všech kol v současnosti. Bez ohledu na značku automobilu, její model či výrobce systému, jej můžeme rozdělit na stálý (permanentní) a takzvaně s přiřaditelnou zpravidla přední nápravou. Dále se pohon všech kol dělí podle koncepce. Zda má vozidlo hnací řetězec uložený vpředu napříč nebo podélně, případně někde jinde (před nebo za zadní nápravou – Audi R8/Porsche 911 Carrera 4), ale to už bychom zacházeli hodně do detailů.

S přiřaditelnou nápravou

Pohon s přiřaditelnou přední nápravou

Technicky nejjednodušším je pohon s přiřaditelnou přední nápravou. Používá se téměř výhradně u terénních vozů s podélně uloženým hnacím řetězcem. Za normálních okolností pohání vůz pouze zadní náprava. Po přiřazení přední nápravy je hnací síla dělená mezi přední a zadní nápravu v neměnném poměru. Důvodem je absence diferenciálu. Přenos síly je v tomto případě řešen přes takzvanou zubovou spojku. Obvykle bývá vybavena synchronizací, takže je možné pohon přední nápravy připojit i ve vysoké rychlosti. Tím, že se poměr rozdělení hnací síly nemění, by docházelo při jízdě v zatáčce na povrchu s dobrou přilnavostí k velkým parazitním silám v převodovém ústrojí. V extrému by mohlo dojít k prasknutí některého z hnacích hřídelů. Přiřaditelný pohon všech kol se tak může používat jen při vhodných podmínkách, nejlépe na kluzkém nezpevněném povrchu. Tady ani zatáčení nevadí, neboť nemožnost rozdílu otáček vstupního a výstupního hřídele spojky vyrovnává prokluz kol.

Plusy

• Robustnost
• Vlastnosti v těžkém terénu
• Při jízdě po silnici nezvyšuje spotřebu paliva
• Příznivá cena

Minusy

• Nevylepšuje jízdní vlastnosti trakci při běžné jízdě po silnici

Příklady použití: Ford Ranger, Mazda BT50, Toyota Hilux, VW Amarok, Suzuki Jimny, SsangYong Musso, Toyota Land Cruiser 90, Jeep Command Trac

Podélná/ příčná zástavba

Stálý pohon s podélnou nebo příčnou zástavbou hnacího řetězce

Vozy s permanentním pohonem všech kol využívají v zásadě tři druhy diferenciálů pro rozdělení hnací síly mezi přední a zadní nápravu. Nejjednodušší je otevřený symetrický kuželový diferenciál. Následuje planetový, tedy asymetrický diferenciál, který může být blokovaný aktivní lamelovou spojkou nebo viskosní spojkou. Posledním typem je samosvorný šroubový diferenciál Torsen (Torque sensing).

Kuželový centrální diferenciál

Tento typ diferenciálu se zcela běžně používá k rozdělení hnací síly mezi kola jedné nápravy. Coby mezinápravový diferenciál jej používalo Audi u první generace systému Quattro do června 1987. Dnes jej najdete u Subaru s manuální převodovkou. Používá se tedy výhradně u symetrické stavby hnacího řetězce (ano i původní Quattro je symetrický systém pohonu všech kol). V tomto případě se hnací síla rozděluje ve stejném poměru mezi obě nápravy. Vzhledem k tomu, že samotný diferenciál je otevřený, není možné tento poměr měnit v závislosti na adhezních podmínkách té které nápravy. Aby to bylo možné, používá se ve spojení s viskosní lamelovou spojkou (viz dále), která diferenciál uzavírá. Takto to mají vyřešeno zmíněná Subaru. Výhodou tohoto řešení je spolehlivost a odolnost.

Plusy

• Robustnost
• Jednoduchost
• Spolehlivost
• S viskosní spojkou vynikající vlastnosti

Minusy

• Žádná svornost (bez požití dodatečného zařízení v podobě viskosní spojky)

Příklady použití: Subaru XV, Outback a Forester vždy s manuální převodovkou doplněný o viskosní spojku, Audi Quattro do června 1987 (v tomto případě bez viskosní spojky)

Planetový centrální diferenciál

Centrální diferenciál planetového typu je základem pohonu 4Matic Mercedesu už od první generace systému z roku 1985, stejně jako první generace pohonu všech kol automobilky BMW (do roku léta 2003). Používá se tam, kde je potřeba asymetričnost v rozdělení hnací síly mezi přední a zadní nápravou. Hnací hřídel vedoucí od převodovky pohání korunové kolo a hnací síla se dále přenáší přes satelity na unášeč satelitů a dále k zadní nápravě. Pohon přední nápravy je řešen paralelním hřídelem, vedoucím po straně převodovky k diferenciálu přední nápravy. Planetový diferenciál je otevřený, stejně jako kuželový. Je tedy zpravidla blokován (uzavírán) lamelovou spojkou. Buď viskosní (BMW s pohonem všech kol do roku 2003), elektromotoricky ovládanou (VW Touareg, Porsche Cayenne) nebo hydraulicky ovládanou (původní Mercedes-Benz 4Matic). Po její aktivaci se obě nápravy otáčejí stejnými úhlovými rychlostmi. Existují i systémy, které se obejdou bez planetového diferenciálu, načež si vystačí pouze s aktivní lamelovou spojkou. Příkladem může být BMW xDrive od roku 2003, v jehož případě je spojka ovládána servomotorem přes axiální vačku.

Planetový diferenciál se ovšem v minulosti používal také u vozů s pohonem všech kol a příčnou zástavbou hnacího řetězce. V tomto případě byl uzavíraný téměř výhradně viskosní spojkou. Toto řešení v minulosti používal Peugeot 405 X4/Mi16 4x4/T16, případně modernější Ford Mondeo 4x4 Mk1 nebo Jaguar X-Type.

Plusy

• Mechanická robustnost
• Umožňuje asymetrické rozdělení hnací síly
• Vylepšuje jízdní vlastnosti vozidla v zatáčkách

Minusy

• Složitost
• Cena
• Zástavbové nároky
• Spolehlivost (v případě Peugeotu a Jaguaru)
• Pro zlepšení vlastností vyžaduje blokovací zařízení

Šroubový diferenciál (Torsen)

Šroubový diferenciál je od léta 1987 až dosud základem pohonu Audi Quattro u modelů s podélně uloženým hnacím řetězcem (od 80/A4 výše). Výjimkou je pouze model RS5, který používá zvláštní typ diferenciálu s takzvaným korunovým kolem (jinde použit nebyl). Torsen je vlastně akronym slov „torque sensing“, tedy citlivý na rozdíly točivých momentů (nikoliv otáček jako třeba viskosní spojka). Původně byl Torsen symetrický diferenciál. V první generaci Audi Q7 byla představena asymetrická verze Torsenu, kdy 42 procent hnací síly bylo přenášeno na přední nápravu, 58 procent na zadní. V případě Q7 dovolovala svornost Torsenu přenášet až 60 procent hnací síly na přední nápravu a dokonce až 77 procent na zadní, oboje bez zásahu EDS. Torsen ale existuje také u vozů s příčnou zástavbou pohonu, například u Alfy Romeo 156 Q4 Crosswagon, 159 Q4 či Brera/Spider.

Plusy

• Malé zástavbové nároky
• Spolehlivost a mechanická odolnost
• Samosvornost
• Zlepšuje jízdní vlastnosti v zatáčkách

Minusy

• Nevhodný pro využití mimo zpevněné cesty (samosvornost má svá omezení)
• Výrobní složitost (šroubovice)

Příklady použití: Audi Quattro od léta 1987 u modelů od 80/A4 výše s výjimkou R8, Alfa Romeo 156 Q4 Crosswagon, 159 Q4 či vrcholné verze modelů Spider a Brera, VW Passat B2 Syncro (od léta 1987), VW Passat B5 4Motion

Pro příčnou zástavbu

Stálý pohon pro příčnou zástavbu hnacího řetězce

Viskosní spojka

Lamelová spojka pracující na principu tření v kapalině byla v 80 a 90. letech hojně využívána buď v roli uzávěru planetového diferenciálu, nebo coby přímo člen rozdělující hnací sílu mezi obě nápravy. V roce 1970 ji poprvé zkonstruovala konstrukční kancelář Ferguson jakožto doplňkové zařízení k planetovému diferenciálu výše zmíněného vozu Jensen FF. Později koupila práva na výrobu viskosní spojky společnost GKN a následně i rakouský Steyr.

Viskosní spojka je tvořena vnějšími a vnitřními děrovanými lamelami. Vnější jsou spojeny vnitřním drážkováním s obalem ve tvaru uzavřeného válce, který je poháněn hnacím hřídelem. Naopak vnitřní lamely jsou přes drážkování spojeny s hřídelem, který je vlastně hnaný. Uvnitř válce (a tedy spojky) je viskosní kapalina, a to ze 70 až 90 procent objemu válce. Mezi lamelami je mezera zhruba 0,35 mm, což znamená, že se nedotýkají. Spojka pracuje na principu tření v kapalině. S rostoucí teplotou klesá viskosita oleje, který ale zároveň zvětšuje svůj objem ve skříni spojky. Tím se skříň více plní. Zároveň dochází k růstu axiálních sil v kapalině, které způsobí přitlačení lamel k sobě. Od této chvíle je točivý moment přenášen třením mezi lamelami a nikoliv mezi kapalinou. Jde o typický efekt, kdy přední náprava zabírá na povrchu s dobrou adhezí, naopak zadní stojí na kluzkém povrchu.

Plusy

• Jednoduchost
• Nevyžaduje žádnou údržbu
• Lineární závislost (dobré vlastnosti pro sportovně založené řidiče)

Zástavbové rozměry

Minusy

• Vysoké tepelné zatížení
• Není vybavena žádnou „vyšší“ logikou

Příklady použití v roli uzávěry centrálního diefernciálu: Peugeot 405 Mi16/T16, Opel Vectra A 4x4, Opel Calibra 4x4, Lancia Delta Integralle Mk1/Mk2, Lancia Dedra Integralle, Alfa Romeo 155 Q4, Hyundai Santa Fe Mk1

Příklady použití v roli přímého rozdělení točivého momentu: VW Syncro (vozy s motory napříč), Suzuki Swift 4x4, Fiat Panda Mk1/Mk2 4x4 (je zpravidla doplněna volnoběžkou a přemosťovací zubovou spojkou)

Aktivní lamelové spojky

Aktivní lamelové spojky vytlačují od druhé poloviny 90 let jednak viskosní spojky a také centrální planetové diferenciály. Jsou totiž mechanicky jednodušší a hlavně řízené elektronicky. Díky tomu se lépe hodí v kombinaci se systémy aktivní bezpečnosti, jmenovitě ESP, ASR či ABS. Aktivní lamelové spojky lze rozdělit na dvě kategorie lišící se principem ovládání: elektrohydraulické a elektromagnetické.

Elektrohydraulická lamelová spojka

Nejznámějším a patrně nejrozšířenějším zařízením tohoto typu je spojka Haldex. Nabízí se už od roku 1998, přičemž dnes je na trhu už pátá generace. V elektrohydraulické spojce se podobně jako ve viskosní rovněž střídají jednotlivé lamely unášené hnacím hřídelem či naopak pohánějící hnaný hřídel. Stlačování lamel má ovšem na starosti kapalina, jejíž tlak je generován v externím zařízení. U starších systémů byl hlavní veličinou rozdíl otáček vstupního a výstupního hřídele. Zároveň byl úměrný tlakovému spádu kapaliny. Čím byl rozdíl v otáčkách a tedy tlaku větší, tím byly lamely silněji přitlačovány. Do toho ale navíc vstupoval elektrický ventil, jenž tlak dále upravoval. Takto to měla vyřešeno první generace spojky. Novější, tedy druhé vydání, jej opustilo a elektrický ventil nahradil hydraulicky řízený proporcionální ventil. Třetí vydání Haldexu pracuje podobě jako druhé, nicméně najdete jej pouze u Fordu či Volva. Volkswagen nabídnul v roce 2007 s příchodem SUV Tiguan až čtvrtou generaci. Míra sevření lamel spojky již není úměrná velikosti rozdílu otáček mezi vstupní a výstupní hřídelí, jako tomu bylo dosud, nýbrž je řízena plně elektronicky. Zdrojem tlaku oleje je elektrické čerpadlo, které stlačuje hydraulický olej do zásobníku tlaku. Od něj je tlaková kapalina vedena přes řídicí ventil k pracovnímu pístu, jenž následně stlačuje lamely spojky. S příchodem techniky MQB byla do produkce nasazena spojka Haldex páté generace. Pracuje podobně jako čtvrtá, avšak má kupodivu méně součástek a hlavně se obejde bez zásobníku tlaku.

Spojku Haldex ovšem nepoužívá pouze Volkswagen, nýbrž také Opel a Saab, či již zmiňované Volvo a Ford. V případě Saabu či Opleu bylo navíc zařízení vybaveno systémem eLSD. Šlo vlastně o druhou lamelovou spojku, která aktivně blokovala diferenciál zadní nápravy těchto vozů. Něco podobného, ale na přední nápravě, používá dnes VW u výkonných modelů pod označením VAQ.

Elektrohydraulickou lamelovou spojkou nabízí rovněž zařízení Dynamax od firmy Magna Steyr. Najdeme jej u Kie Sportage třetí generace a Hyundaii ix35 (u pozdějších vydání).

Spojky pracující s tlakem kapaliny umožňují zpravidla na zadní nápravu přenést až polovinu celkového točivého momentu.

Plusy

• Rychlost připojení
• Vyšší logika
• Kompatibilita s elektronickými systémy aktivní bezpečnosti
• Zástavbové rozměry
• Variabilita

Minusy

• Vyžaduje údržbu
• Kombinuje hydrauliku, mechaniku a elektroniku
• Nehodí se moc do terénu
• Může se přehřát

Příklady použití: Koncern Volkswagen, Ford Kuga, Volvo AWD, Saab 9-3/9-5 XWD, Opel Insignia OPC, Kia Sportage Mk3, Hyundai ix35 (pozdější verze), Mercedes-Benz A45 AMG (4Matic pro příčnou zástavbu)

Elektromagnetická lamelová spojka

Elektromagnetická lamelová spojka vypadá podobně jako elektrohydraulická. Je však jednodušší. Navíc je bezúdržbová a obejde se bez složitého externího zařízení. Složena je z několika hlavních celků: spojky obsahující 4WD solenoid, zadního pouzdra vytvářejícího magnetický indukční tok (magnetické pole), řídící spojky a kotvy. Dále z vačkového mechanismu, do něhož spadá řídící vačka, kuličky a hlavní vačka. A konečně ze systému pro přenos točivého momentu skládajícího se z hlavní lamelové spojky v olejové náplni z důvodu chlazení (odvodu tepla). Rozdělení celkového hnacího momentu mezi přední a zadní nápravu je úměrné velikosti proudu, přiváděného na 4WD solenoid. Je-li ten bez proudu, žádný točivý moment se na zadní nápravu nepřenáší.

Změna nastává v okamžiku, kdy řídící jednotka sytému pohonu vpustí do solenoidu proud. Následkem toho vznikne magnetický indukční tok (magnetické pole) zadního pouzdra. To způsobí sepnutí lamel řídící spojky, která tak může přenášet točivý moment. A to na řídící vačku, která je se spojkou v záběru. Hnací moment se dále transformuje na kuličky a z nich na hlavní vačku, která svým natočením přímo stlačuje lamely hlavní spojky. V konečném důsledku se může na zadní nápravu přenést až polovina celkového hnacího momentu.

Plusy

• Rychlá reakce
• Jednoduchost
• Nevyžaduje údržbu
• Zástavbové rozměry
• Vyšší logika
• Může vylepšovat ovladatelnost (je-li vybavena snímačem příčného zrychlení)

Minusy

• Riziko přehřátí, na což reaguje odpojení spojky (rozuměj rozpojením lamel)
• Nehodí se moc do terénu

Příklady použití: Mazda 6 MPS, Mazda CX-7, Mazda CX-5, Mazda CX-3, Toyota RAV4, Honda CRV (Mk4), Suzuki SX4, Suzuki S-Cross, Suzuki Kizaschi, Ford Explorer, Hyunadi ix35 (původní verze), Hyundai ix55, Kia Sportage Mk2, Mitsubishi ASX, Mitsubishi Outlander a jeho francouzské deriváty, Renault Koleos, Nissan X-Trail, Nissan Qashqai atd.