Układy napędowe

Wiemy, że samochód bez silnika to nie samochód... Lecz sam silnik też na niewiele się przyda. Wiemy jak precyzyjnie zaprogramowane i sterowane wybuchy w komorze spalania wprawiają w ruch tłok, który przy pomocy korbowodu obraca wałem. Lecz nie od razu wytworzony przez jednostkę napędową moment obrotowy poruszy nasz pojazd. Po drodze napotka jeszcze kilka mechanizmów, prostych, a jednak nieodzownych by płynnie przekazać obroty i maksymalnie ograniczyć straty. Ten mini świat kół zębatych, tarcz ciernych, wałków, cięgien i dźwigienek to tzw. układ przeniesienia napędu.

Istnieje wiele rozwiązań zespołu, o którym tu mowa. Jednak niezależnie od zastosowanej koncepcji, następujące elementy występują zawsze:
- skrzynia przekładniowa ze sprzęgłem
- elementy przekazujące moment obrotowy (wały, półosie napędowe)
- przekładnia główna z mechanizmem różnicowym (dyferencjałem)
- koła napędzane.

Zadaniem pierwszego odcinka układu przeniesienia napędu jest uzyskanie żądanego stopnia redukcji prędkości obrotowej wału korbowego, oraz zmiany kierunku ruchu. Umożliwia to skrzynia przekładniowa (skrzynia biegów), w której zestaw kół zębatych, łącząc się w różnych konfiguracjach, pozwala uzyskać, regulowany stopniowo, szeroki zakres prędkości jazdy, oraz ruch do przodu i do tyłu. Zmiana biegów może odbywać się ręcznie - przy użyciu systemu dźwigni mechanicznych, lub automatycznie. W drugim przypadku steruje nią ciśnienie oleju w silniku. Stopień kolejnych przełożeń skrzyni dobierany jest do charakterystyki silnika, z którym ma ona współpracować by najlepiej wykorzystać moment obrotowy.

Skrzynia biegów połączona jest z wałem silnika za pośrednictwem sprzęgła ciernego, tarczowego. Umożliwia ono odłączenie napędu na czas zmiany przełożenia, następnie płynne wyrównanie prędkości obrotowych w celu uniknięcia przeciążeń i wreszcie przekazywanie momentu "na sztywno". Działanie tego podzespołu polega na regulowanym docisku ruchomej tarczy, pokrytej okładzinami z materiału o dużym współczynniku tarcia, do tarczy połączonej na stałe z wałem korbowym silnika. Przy zwolnionej dźwigni sprzęgła tarcze pozostają dociśnięte do siebie z maksymalną siłą, nie występuje między nimi różnica prędkości. Wciskając pedał zmniejszamy docisk tarcz, uzyskując coraz większy poślizg aż do całkowitego rozdzielenia tarcz.

Moment obrotowy należy następnie przekazać na koła jezdne. Odbywa się to w kilku etapach. Najpierw wał napędowy łączy skrzynię biegów z przekładnią główną osi napędzanej, gdzie następuje dalsze zmniejszenie liczby obrotów, następnie moment jest rozdzielany przez mechanizm różnicowy. Dalej półosie napędowe kierują go na koła. Przy czym przeniesienie napędu z wału na półosie musi odbyć się tak, by umożliwić kołom napędzanym jednej osi obracanie się z różnymi prędkościami, w przeciwnym razie niemożliwa byłaby jazda w zakrętach, kiedy to koło wewnętrzne pokonuje krótszą drogę, przez co kręci się wolniej niż zewnętrzne. Ta sytuacja wymaga zastosowania specyficznego rodzaju przekładni zwanej satelitarną, różnicową lub dyferencjalną (stąd nazwa mechanizm różnicowy lub dyferencjał).

Działanie tego podzespołu jest wprost genialne w swej prostocie. Zasadniczym elementem jest tu krzyżak, przejmujący bezpośrednio moment obrotowy z przekładni głównej. Na jego czopach znajdują się satelity, mające postać niewielkich kół zębatych. Wykonują one ruch obiegowy wokół osi krzyżaka, lecz nie są z nim sztywno połączone, toteż mogą obracać się również wokół własnej osi. Współosiowo z krzyżakiem obracają się tzw. korony - koła zębate, zazębione z satelitami i połączone sztywno z półosiami napędowymi, zatem ich prędkość obrotowa równa jest prędkości kół napędzanych.

Prace mechanizmu różnicowego rozpatrywać można w trzech przypadkach. Gdy pojazd porusza się na wprost, prędkości kół a więc i koron są równe. Satelity łączą wówczas jedynie krzyżak z koronami wykonując tylko ruch obiegowy. W czasie pokonywania zakrętu korona półosi wewnętrznej zaczyna obracać się wolniej a zewnętrznej szybciej. Przekazywanie napędu w takiej sytuacji, przy stałej prędkości krzyżaka możliwe jest dzięki wymuszeniu ruchu obrotowego satelit. Mechanizm różnicowy rozdziela prędkość obrotową proporcjonalnie. Znaczy to, że wartość spadku tej wartości na koronie półosi wewnętrznej równa jest zawsze jej wzrostowi na koronie półosi zewnętrznej. Widać to szczególnie dobrze gdy wystąpi duża różnica przyczepności między kołami osi napędzanej. Działanie dyferencjału spowoduje wówczas unieruchomienie koła stykającego się z nawierzchnią o dużej przyczepności. Drugie, mające kontakt np. z lodem będzie obracać się z prędkością dwa razy większą niż krzyżak. Wynika to z faktu sumowania się obrotów krzyżaka i satelit toczących się po unieruchomionej koronie.

Teraz przyszła pora by przeprosić silnik i zachęcić by znów się z nami pobawił: zgodnie z obowiązującą tu nomenklaturą nadamy mu przydomek układ wytwarzania napędu i dalej jego spółkę z omówionym powyżej układem przeniesienia napędu nazywać będziemy układem napędowym.

Istnieje szereg rozwiązań jego konstrukcji, zależnych od umiejscowienia silnika i tego, które koła maja być napędzane. Najliczniejszą grupę stanowią pojazdy, których jednostka napędowa znajduje się w przedniej części. Występują tu konfiguracje napędzające koła tylne, przednie lub wszystkie cztery. Alternatywę stanowi umieszczenie silnika z tyłu i bezpośrednie przekazanie momentu na najbliższą oś.

Zastosowanie danej konstrukcji skutkuje uzyskaniem charakterystycznych dla niej właściwości trakcyjnych i uzależnione jest najogólniej mówiąc od koncepcji przeznaczenia samochodu.

Układ napędowy, który wymienię jako pierwszy można chyba nazwać klasycznym (schemat powyżej). Posiada on silnik umieszczony z przodu i napędza koła tylne. Powstał u zarania motoryzacji, gdy inne rozwiązania napotykały jeszcze problemy techniczne. Jego zalety to prostota, trwałość i odporność na obciążenia a także dobre właściwości trakcyjne. Jednak duża masa i droga przekazywania momentu podnoszą koszty eksploatacji.

Jako drugą przedstawię konstrukcję napędzającą wszystkie cztery koła pojazdu (4x4, 4WD, AWD). Technicznie jest ona wyraźnie spokrewniona z pierwszą, lecz zawiera kilka dodatkowych elementów.

Pierwszą nowością jest skrzynia rozdzielcza, umiejscowiona za skrzynią biegów. Jest to przekładnia umożliwiająca poprowadzenie momentu obrotowego w kierunku obu osi. W samochodach terenowych omawiany element zawiera dodatkowo reduktor pozwalający wybrać między przełożeniem drogowym a terenowym. Mówimy wówczas o skrzyni rozdzielczo - redukcyjnej. Rozdział napędu między osiami wymaga ponadto zastosowania urządzenia, które będzie łagodzić przeciążenia wywołane przez ewentualne różnice prędkości w końcowych odcinkach układu. Chodzi oczywiście o dyferencjał, zwany tutaj centralnym lub międzyosiowym mechanizmem różnicowym.

Konstrukcje 4x4 cechują najlepsze walory trakcyjne. Pojazdy terenowe wykorzystują je do jazdy po bezdrożach, osobowe i sportowe odznaczają się bardzo dobrą przyczepnością. Nie sprawia tu problemu pokonanie stromego podjazdu czy ostrego zakrętu... (oczywiście w granicach rozsądku). Tak rozbudowany układ napędowy podnosi jednak znacznie koszty wytworzenia pojazdu. Powoduje również największe straty momentu, a przez to obarcza użytkownika dużymi kosztami zużycia paliwa.

A teraz coś dla przeciwwagi... Powszechność osiągnięć współczesnej motoryzacji wiąże się nieodłącznie z faktem poszukiwania rozwiązań prostych, tanich i ekonomicznych. Po co przesyłać napęd z przodu na tył lub na cztery koła, pozwalając sile tarcia bezproduktywnie pochłaniać moment obrotowy? Można niezbędne podzespoły skupić w jednym korpusie połączonym z silnikiem i przekazać napęd do najbliższej osi.

W konstrukcjach tego typu sprzęgło, skrzynia biegów i mechanizm różnicowy stanowią zespół, co maksymalnie ogranicza straty. Układ taki dobudować można do silnika umieszczonego z przodu lub z tyłu i napędzać analogiczne osie. Wspomniana przeciwwaga działa jednak w dwie strony i zyskując na zmniejszeniu kosztów eksploatacji, tracimy na pogorszeniu właściwości trakcyjnych.

Na koniec pozostaje poruszyć jeszcze jedno zagadnienie. Rozpatrywane przy omawianiu konstrukcji silników aspekty dynamiczne mają duże znaczenie również tutaj. Poszczególne elementy układu napędowego od silnika począwszy na kołach kończąc, mimo niewielkich gabarytów, stanowią istotny procent masy pojazdu. Powoduje to powstawanie dużych sił bezwładności, istotnie wpływających na prowadzenie, przy coraz większych przecież prędkościach. Oczywistym jest, że fizyka ma swoje prawa i nie każdy zakręt da się pokonać bez zerwania przyczepności, ale w ślad za zwiększaniem mocy silników musi iść działanie na rzecz wyważenia całej bryły pojazdu.

W klasycznych układach przeniesienia napędu zwraca uwagę symetryczne rozmieszczenie poszczególnych elementów względem osi wzdłużnej. Uzyskuje się tą drogą równomierny rozkład masy. Stwierdzenie to nie jest na pewno odkryciem Ameryki. Mimo to powtórzę raz jeszcze. Uzyskuje się tą drogą równomierny rozkład masy... ale tylko względem osi wzdłużnej! Bilans przód - tył zwykle nadal pozostaje zachwiany. Najlepszą drogą do rozwiązania tego problemu jest umieszczenie jednostki napędowej centralnie między osiami, z reguły jednak to miejsce zarezerwowane jest dla nas - pasażerów, dlatego większość ludzi w życiu nie zobaczy na własne oczy samochodu o takiej budowie. Narzędziem, które pozostaje konstruktorom jest... karoseria. Nie powinien już zatem dziwić masywny "kufer" w pojazdach z silnikiem z przodu i wprost nienaturalnie długa maska w konstrukcjach z "motorem" ciasno upchanym nad tylną osią. Szersze omawianie roli karoserii w dynamice pojazdu, byłoby odejściem od tematu. Warto jednak przestrzec przed oceną wyglądu zewnętrznego samochodu wyłącznie w kategoriach stylistyki.

W motoryzacji jak w życiu... Nie można mieć wszystkiego. Wybierać trzeba często miedzy oszczędnością, trwałością i wszechstronnością. Mnogość rozwiązań ułatwiających ten wybór przyprawia o zawrót głowy. Opisane powyżej przedstawiają jedynie w zarysie dorobek ponad stu lat pracy twórców samochodów. Dziś prócz udoskonalania rozwiązań szeroko pojmowanych układów napędowych, powstają doskonałe systemy ich wspomagania (elektroniczne i mechaniczne), jednocześnie wiele uwagi poświęca się bezpieczeństwu.

Tekst i rysunki: Michał Soja, 03.2008