Napęd 4x4 – jak działa i kiedy się przydaje?

Układy przeniesienia napędu w samochodach, nie tylko osobowych - ale to głównie osobowymi, jako tymi, które najczęściej spotyka się na drogach, się tutaj zajmiemy - najogólniej podzielić można na trzy konfiguracje. Pierwszą z nich i najczęściej spotykaną jest napęd przedni lub też ujmując to inaczej - napęd na przednie koła. Drugą jest napęd na tylne koła, a trzecią na wszystkie koła lub inaczej mówiąc - napęd na cztery koła lub napęd 4x4.

Napęd na przednie koła bardzo często określa się także jako FWD - od angielskiego Front Wheel Drive. Ten rodzaj napędu stosuje się najczęściej - można spotkać go w zasadzie w każdym segmencie samochodów - od aut miejskich, poprzez rodzinne kompakty, samochody średniej klasy, crossovery czy SUV-y (zwłaszcza niewielkie miejskie, choć przedni napęd stosowany jest także w większych pojazdach), a także vany, samochody dostawcze, aż po duże luksusowe sedany. Ze względu na niższe koszty produkcji i kompaktowe rozmiary FWD jest stosowany najczęściej w popularnych samochodach.

W autach z przednim napędem moment obrotowy silnika przekazywany jest na przednie koła (lub jak wolą inni - na przednią oś) pojazdu. W takim układzie jedynym rozwiązaniem stosowanym w praktyce jest silnik umieszczony z przodu samochodu. Co prawda technicznie możliwa jest taka konstrukcja pojazdu, aby silnik znajdował się z tyłu i napędzał przednie koła, jednak ze względów praktycznych takiego rozwiązania się nie stosuje.

W samochodzie z przednim napędem zazwyczaj silnik, przekładnia główna oraz skrzynia biegów stanowią jeden zespół. Znajduje się on, jak już wspomnieliśmy z przodu samochodu - przed, nad lub za przednią osią. Silnik może być usytuowany poprzecznie, co jest najczęściej stosowanym rozwiązaniem, lub wzdłużnie. Przedni napęd w połączeniu z silnikiem umieszczonym poprzecznie umożliwia uzyskanie bardzo kompaktowej konstrukcji pojazdu, przez co można przy zachowaniu takich samych wymiarów stworzyć większą kabinę pasażerską i większy bagażnik niż w samochodach z napędem na tylne koła czy w samochodach z napędem na 4 koła.

Zalety samochodów z napędem na przód to zwiększone bezpieczeństwo pokonywania zakrętów, dzięki generalnie podsterownej charakterystyce jazdy (choć oczywiście odpowiednio ustawiając nastawy zawieszenia, uzyskać można także charakterystykę neutralną lub nawet nadsterowną), dobra zdolność pokonywania wzniesień przy małym obciążeniu (dobra, czyli generalnie lepsza niż w samochodach z tylnym napędem, ale gorsza niż w pojazdach z napędem 4x4), prosta konstrukcja tylnego zawieszenia, choć oczywiście nic nie stoi na przeszkodzie, aby zastosować tam również bardziej zaawansowane rozwiązania), płaska podłoga, zwiększona przestrzeń pasażerska i bagażowa i niższa masa własna. Rozwiązanie to wiąże się także z niższymi kosztami produkcji, a więc tym samym niższą ceną auta w salonie, oraz z nieco wyższą sprawnością układu napędowego ze względu na krótszą drogę momentu obrotowego generowanego przez silnik i trafiającego na napędzane przednie koła. Ta ostatnia cecha widoczna jest najbardziej w samochodach ze zblokowanym w jeden zespół układem napędowym, czyli w przypadku samochodu z silnikiem umieszczonym poprzecznie, ze skrzynią biegów z przekładnią główną, zamontowaną bezpośrednio do niego.

Samochody z napędem na przód mają także, co oczywiste - wady wynikające z takiej, a nie innej ich konstrukcji. Przy całkowitym obciążeniu spadają ich zdolności do rozpędzania się i pokonywania wzniesień, zwłaszcza na mokrej lub śliskiej nawierzchni. Ich podsterowna charakterystyka prowadzenia przy gwałtownym przyspieszaniu na zakrętach czy łukach wywołuje tendencję do jazdy na wprost pomimo skręconych przednich kół. Przednie koła są także bardziej obciążone niż w samochodach z tylnym napędem, bo służą jednocześnie do kierowania pojazdem i napędzania go, a w przypadku dużej mocy na kierownicy może być odczuwalne mało przyjemne uczucie wyrywania kierownicy z rąk - choć oczywiście nie zawsze musi tak być, bo konstruktorzy samochodów dokładają wszelkich starań, aby pojazdy, które wyszły spod ich ręki, prowadziły się jak najlepiej. Samochody z przednim napędem mają także zazwyczaj nieco gorszy rozkład mas (mocno obciążony jest przód pojazdu ze względu na umieszczenie tam kompletnego układu napędowego). Gorszy jest także dostęp do silnika oraz podzespołów umieszczonych z przodu, ze względu na ilość elementów tam się znajdujących oraz ich zazwyczaj wyższy poziom komplikacji i ciaśniejsze upakowanie.

Tylny napęd określa się także jako RWD. Skrót ten pochodzi od pierwszych liter angielskiego Rear Wheel Drive. Ten rodzaj napędu jest obecnie najrzadziej spotykany, choć jego najpowszechniejszą odmianę określa się mianem klasycznego układu napędowego. W ten sposób bowiem w początkach motoryzacji konstruowane były w zasadzie wszystkie samochody. Dziś spotykany jest najczęściej w samochodach sportowych lub o sportowych aspiracjach, samochodach klasy GT lub w luksusowych dużych sedanach czy limuzynach, choć czasami zdarzają się konstrukcje miejskie z takim rozwiązaniem. Jeszcze nie tak dawno można go było spotkać także nawet w samochodach średniej klasy.

W autach z napędem na tył moment obrotowy silnika przekazywany jest, co oczywiste, na tylne koła. Inaczej jednak niż w samochodach z napędem na przód, silnik umieszczony może być w jednym z czterech miejsc. Wspomniany już klasyczny układ napędowy składa się z silnika umieszczonego wzdłużnie z przodu, skrzyni biegów zamontowanej za nim (zblokowanej z silnikiem) oraz wału napędowego przekazującego moment obrotowy na przekładnię główną umieszczoną na tylnej osi pojazdu. Tak zbudowana jest na przykład sportowa Toyota GR Supra. W takich samochodach przekładnia główna może być zamontowana w tylnym moście napędowym, przekazującym napęd na tyle koła. W moście znajduje się także mechanizm różnicowy, dzięki któremu na łukach koła mogą poruszać się z inną prędkością obrotową - koło wewnętrzne z niższą, a zewnętrzne z wyższą. Dzięki temu koła pokonują taką samą drogę, a samochód nie wpada w poślizg na każdym, nawet najspokojniej pokonywanym zakręcie. Z technicznego punktu widzenia możliwe jest zbudowanie samochodu z takim układem napędowym, ale silnikiem ustawionym poprzecznie, jednak z powodów praktycznych się go nie stosuje.

Drugim schematem, według którego budowane są samochody z napędem na tył, to silnik umieszczony z tyłu (na przykład za tylną osią) zblokowany z przekładnią główną z mechanizmem różnicowym i skrzynią biegów, przekazujący moment obrotowy na tylne koła. Układ taki stosowany jest dziś niezwykle rzadko, choć czasami, ze względu na kompaktowość tego rozwiązania, w zasadzie analogiczną, jak w samochodach z przednim napędem i silnikiem umieszczonym poprzecznie, czasem używany jest w niewielkich miejskich pojazdach.

Napęd na tył w trzecim wydaniu realizowany jest za pomocą silnika umieszczonego centralnie (wzdłużnie lub poprzecznie), to znaczy przed lub nad tylną osią, również zblokowanego z przekładnią główną z mechanizmem różnicowym i skrzynią biegów, przekazującego przez nie moment obrotowy na koła tylne. Taki schemat ze względu na korzystny rozkład mas pojazdu stosowany jest najczęściej w samochodach sportowych i supersamochodach.

Czwartym, bardzo rzadkim rozwiązaniem jest silnik umieszczony pomiędzy osiami pojazdu (zazwyczaj wzdłużnie), ze skrzynią biegów zamontowaną za nim (zblokowaną z silnikiem) i wałem napędowym przekazującym moment obrotowy na przekładnię główną umieszczoną na tylnej osi pojazdu. Układ ten jest bardzo podobny do klasycznego układu napędowego, jednak z tą różnicą, że silnik jest cofnięty - w niektórych przypadkach zamontowany może być nawet na wysokości kabiny pasażerskiej.

Tylny napęd w wydaniu klasycznym jest najprostszym układem napędowym. Jest on jednak zazwyczaj nieco cięższy niż napęd na przód, ze względu na wał napędowy łączący skrzynię z tylnym mostem. Zabiera także nieco miejsca w kabinie pasażerskiej, również ze względu na wał napędowy biegnący pod podłogą w specjalnym tunelu. Może on także nieco ograniczać przestrzeń bagażową. Zazwyczaj jest nieco droższy w produkcji od napędu na przednie koła, za to umożliwia zastosowanie prostszej konstrukcji przedniego zawieszenia oraz zwiększenie kąta skrętu kół, ze względu na brak przegubów napędowych.

Tylny napęd z silnikiem umieszczonym centralnie lub z tyłu nie zajmuje tyle miejsca, co klasyczne rozwiązanie, jednak znacząco zmniejsza przestrzeń bagażową lub wymusza przeniesienie bagażnika na przód pojazdu, a nawet jego całkowity brak.

Jeśli chodzi o właściwości jezdne, to napęd na tył zazwyczaj zapewnia lepszy rozkład mas, zwłaszcza jeśli rozważamy tylny napęd w wydaniu klasycznym lub z silnikiem umieszczonym centralnie. Wyjątkiem jest tutaj tylny napęd z silnikiem umieszczonym z tyłu - duża masa całego układu napędowego znajdująca się na tylnej osi lub nawet za nią może powodować dużą niestabilność w zakrętach, aczkolwiek współczesne konstrukcje radzą sobie także z tą przypadłością.

Najważniejsza z punktu widzenia prowadzenia takiego samochodu jest wyższa precyzja, spowodowana przez rozdzielenie funkcji napędzania i kierowania pojazdu pomiędzy obie osie samochodu, zdolność do przenoszenia dużych wartości momentu obrotowego i mocy oraz zwiększona przyczepność podczas przyspieszania - w większości samochodów z tylnym napędem środek ciężkości położony jest bowiem powyżej osi, co powoduje dociążenie tylnej osi napędowej.

Kierowcy o sportowych aspiracjach w samochodach z tylnym napędem docenią także wynikającą z ich konstrukcji i rozkładu mas naturalną tendencję do nadsterownej charakterystyki prowadzenia w zakrętach. Może ona być jednak postrzegana także jako wada - wymaga bowiem zazwyczaj większego doświadczenia w prowadzeniu.

Napęd na cztery koła jest określany również jako AWD, 4WD lub 4x4. Skróty te pochodzą od angielskich zwrotów All Wheel Drive oraz 4 Wheel Drive. Ten rodzaj napędu jest obecnie dość często spotykany, choć oczywiście nie tak powszechnie jak napęd na przednie koła.

Samochody 4x4 są dziś spotykane w zasadzie we wszystkich segmentach. Napędem na 4 koła dysponują zarówno samochody miejskie, rodzinne kompakty, auta klasy średniej, wyższej-średniej i luksusowe, choć zazwyczaj nie w podstawowych wersjach. Napęd na 4 koła stosowany jest przede wszystkim jednak w samochodach terenowych i SUV-ach. Auta 4x4 kojarzymy zresztą najczęściej z terenówkami i samochodami sportowo-rekreacyjnymi. Obecnie AWD jest stosowany także dość często w samochodach sportowych.

Jeśli chodzi o samo nazewnictwo - nie należy się zbytnio przywiązywać do tego, czy jest to 4x4, AWD czy 4WD. Wszystkie te nazwy wskazują jedynie, że samochód dysponuje napędem na 4 koła, ale na podstawie samej nazwy nie można jednoznacznie wskazać jego dokładnego typu. Popularnie jednak przyjęło się, że 4WD oznacza dołączany ręcznie napęd na 4 koła, a AWD oznacza napęd na 4 koła sterowany automatycznie.

Napęd na 4 koła, jak sama nazwa wskazuje odpowiedzialny jest za przekazywanie momentu obrotowego silnika na wszystkie 4 koła - zazwyczaj samochody wyposażona są bowiem właśnie w 4 koła, aczkolwiek układy AWD mogą odpowiedzialne być również za napęd na inną liczbę kół. Dziać się tak może na przykład w samochodach ciężarowych czy specjalnych o liczbie osi większej niż dwie, a tym samym liczbie kół większej niż cztery.

W samochodach 4x4 spotkać można wiele konfiguracji. Silnik może być umieszczony z przodu, zarówno wzdłużnie, jak i poprzecznie, co ma miejsce zwykle w mniejszych samochodach czy też pojazdach skonstruowanych na bazie samochodów z przednim napędem jako dodatkowa opcja napędu. Pierwsza konfiguracja stosowana jest w wielu samochodach z napędem na 4 koła - zarówno w tych skonstruowanych na bazie aut z napędem na tylne koła, jako dodatkowa opcja napędu, jak i w pojazdach od początku skonstruowanych jako samochody 4x4. Oczywiście nic nie stoi na przeszkodzie, aby auta skonstruowane od początku z napędem na 4 koła dysponowały silnikiem umieszczonym poprzecznie. Najrzadziej w przypadku samochodów na 4 koła stosuje się silnik umieszczony z tyłu i napędzający wszystkie koła samochodu. W nieco większej liczbie modeli, zazwyczaj w bardzo sportowych samochodach z napędem na 4 koła, stosuje się także rozwiązanie w postaci silnika umieszczonego centralnie.

Jeśli chodzi o właściwości jezdne, napęd na 4 koła powszechnie uchodzi za najbezpieczniejszy. Zarówno w porównaniu z samochodami z przednim, jak i z tylnym napędem poprawia przyczepność podczas ruszania, a także częściowo podczas przyspieszania, zwłaszcza na nawierzchniach o niższej przyczepności lub w gorszych warunkach pogodowych - na śliskiej, mokrej czy zaśnieżonej drodze. Im większy moment obrotowy silnika, tym większą przewagę mają samochody 4x4 względem aut napędzanych na jedną oś, które przy dużych obrotach silnika łatwiej tracą przyczepność. Natomiast w samochodach 4x4 moment obrotowy przenoszony jest na 4 koła, a każda z opon ma za zadanie przenieść dwa razy mniejszy moment na nawierzchnię, więc ma dwa razy mniejsze szanse na utratę przyczepności spowodowaną siłą napędową większą niż siły tarcia. Dokładnie na tej samej zasadzie samochody z napędem na 4 koła przewagę w zakresie ruszania oraz przyspieszania na zakrętach, zwłaszcza nad samochodami z tylnym napędem, które w takich warunkach przy utracie przyczepności mogą wpaść w boczny poślizg. Przewaga aut 4x4 jest szczególnie zauważalna podczas pokonywania wzniesień.

Zupełnie inaczej wygląda sytuacja podczas hamowania samochodem z napędem na 4 koła, także na zakręcie. W tej sytuacji auto zachowuje się dokładnie tak, jak samochody z innymi typami napędu, czyli zależnie od warunków. Co więcej, samochód z napędem na 4 koła może w niektórych przypadkach hamować nieco gorzej, ze względu na to, że napęd na 4 koła to dodatkowa masa, a więc wyższy ciężar pojazdu.

Podobnie ma się sprawa z pokonywaniem zakrętów. Samochody 4x4 nie mają żadnej przewagi nad samochodami z napędem na jedną oś, jeśli nimi nie przyspieszamy na łuku, aczkolwiek, jeśli samochód z napędem na 4 koła straci przyczepność, to jest ją łatwiej odzyskać.

Napęd na 4 koła działa w zróżnicowany sposób, w zależności od jego rodzaju. W samochodach z permanentnym napędem 4x4 realizowany jest on zazwyczaj poprzez centralny mechanizm różnicowy, rozdzielający moment obrotowy z silnika na poszczególne osie napędowe. Na każdej z osi dodatkowo znajdują się mechanizmy różnicowe, rozdzielające moment obrotowy na każde z kół.

W układach napędowych samochodów z dołączanym napędem na 4 koła, napęd dodatkowej osi dołącza się ręcznie za pomocą dodatkowej dźwigni lub przycisku, która fizycznie dołącza napęd - za pomocą np. dodatkowej skrzyni rozdzielczej, często wyposażonej także w reduktor zwiększający przełożenie, co przydaje się w np. terenowych samochodach 4x4.

W układach z napędem na 4 koła dołączanym automatycznie może służyć do tego sprzęgło płytkowe sterowane elektronicznie, które odpowiada za fizyczne połączenie tylnej osi z silnikiem i dostarczenie do niej momentu obrotowego.

Jeszcze inaczej realizowany jest napęd 4x4 w samochodach hybrydowych, oparty na jednostkach elektrycznych. Napęd jednej z osi jest w nich realizowany za pomocą jednego lub dwóch (napędzających każde koło z osobna) silników elektrycznych. W takim układzie nie ma fizycznego połączenia z drugą napędzaną osią. Ciekawostką jest tutaj możliwość wyeliminowania także dodatkowego mechanizmu różnicowego. Jeśli układ taki wykorzystuje 2 silniki elektryczne, mogą one pełnić funkcję mechanizmu różnicowego dzięki osobnemu sterowaniu prędkością obrotową każdego z kół.

Samochody z napędem 4x4 można sklasyfikować wg zastosowanych w nich rodzajów tego napędu. Po pierwsze rozróżnić należy samochody z permanentnym i z dołączanym napędem na 4 koła. W pierwszym przypadku samochód w każdych warunkach i na każdej nawierzchni dysponuje momentem obrotowym na każdym z kół. W drugim przypadku auto napędzane jest zasadniczo tylko na jedną oś (przednią lub tylną), a druga oś jest ręcznie lub automatycznie dołączana w razie potrzeby.

Napędu permanentnego (funkcjonującego przez cały czas) nie należy mylić ze stałym napędem 4x4, który odnosi się do niezmiennego rozdziału siły napędowej między obie osie. Przy czy nie chodzi tu wyłącznie o rozkład siły napędowej w proporcjach 50:50, gdyż proporcje te mogą być inne, np. 60:40. Pomimo tych różnic, potocznie określenie stały napęd na 4 koła jest używane w znaczeniu napędu permanentnego.

Napędy dołączane można podzielić na dołączane ręcznie lub automatycznie. W pierwszym przypadku aby samochody mogły być napędzane na 4 koła, muszą być ręcznie w taki tryb jazdy przełączone. Takie rozwiązanie stosuje się zwykle w autach terenowych czy pickupach. Napęd na 4 koła dołączany automatycznie to system, w którym w zależności od potrzeby napęd drugiej osi włącza się samoczynnie - zazwyczaj zarządza nim odpowiedni układ elektroniczny za pomocą np. sprzęgła płytkowego. System uruchamia się podczas poślizgu lub w innej sytuacji, kiedy napęd na 4 koła ma poprawić właściwości jezdne samochodu.

Dołączany lub stały napęd na 4 koła może być realizowany także za pomocą silnika lub silników elektrycznych. Rozwiązanie takie można spotkać na przykład w hybrydowych SUV-ach 4x4, takich jak Toyota RAV4 z napędem AWD-i. Jak działa napęd 4x4 w Toyocie RAV4? W układach AWD-i za napęd tylnej osi odpowiada trzeci silnik elektryczny, który współpracuje z hybrydowym układem napędzającym przednią oś, by zapewnić lepszą przyczepność na śliskiej nawierzchni.

Ciekawym rozwiązaniem napędu na 4 koła jest układ zastosowany w sportowej Toyocie GR Yaris. Za rozdział momentu napędowego pomiędzy przednią i tylną osią odpowiada bardzo szybkie sprzęgło. Jako opcja w pakiecie Sport występują dwa mechanizmy różnicowe o ograniczonym poślizgu Torsen, które rozdzielają moc między lewą i prawą stronę. System napędu a 4 koła wykorzystuje także różne przełożenia biegów dla przedniej i tylnej osi, a to pozwala na rozłożenie napędu pomiędzy obie osie w proporcjach od 100:0 (pełny napęd na przód) do 0:100 (pełny napęd na tył). W standardowym trybie 60 procent mocy przekazywane jest na koła przednie, a 40 procent na tylne. W trybie Sport większy moment napędowy kierowany jest na tył (30:70), żeby zapewnić radość z jazdy na torze czy na krętych drogach, a w trybie Track bazowym ustawieniem jest 50:50, by zapewnić doskonałe prowadzenie na odcinkach specjalnych czy torze. W każdym z trybów rozkład momentu napędowego będzie automatycznie dostosowywany do reakcji kierowcy, zachowania auta oraz warunków na drodze czy torze.

Napęd na 4 koła najczęściej kojarzy się z samochodami terenowymi - i całkiem słusznie. Jednak obecnie wykorzystywany jest w coraz większej liczbie aut innych typów. Napęd 4x4 - stały, dołączany lub hybrydowy, realizowany przez silniki elektryczne - stosowany jest w zasadzie w każdym z segmentów. Używa się go do poprawy bezpieczeństwa, np. zwiększenia przyczepności podczas ruszania czy przyspieszania na śliskich nawierzchniach, a także w samochodach sportowych dla poprawy przyczepności i właściwości jezdnych. Hybrydowy napęd na 4 koła pojawia się coraz częściej w SUV-ach, takich jak Toyota RAV4. Co ciekawe, zaczynają z niego korzystać także sportowe hipersamochody. Najnowszym przykładem jest Toyota GR Super Sport, oparta na wyścigowej Toyocie TS050 Hybrid, która trzykrotnie zwyciężyła w wyścigu Le Mans 24h.