Vítejte zpět v Gearhead 101 – sérii o základech fungování automobilů pro automobilové nováčky.
V našem posledním úvodu jsme diskutovali o základech hnacího ústrojí. Hnací ústrojí se skládá ze série dílů, které přenášejí rotační výkon produkovaný motorem automobilu na kola automobilu, aby se vozidlo pohybovalo. U většiny vozů, známých jako auta s pohonem dvou kol (2WD), přenáší hnací ústrojí sílu na pouhá dvě kola — buď dvě zadní kola (aka, pohon zadních kol) nebo dvě přední kola (aka pohon předních kol). Pohyb těchto dvou kol uvede auto do pohybu a ostatní kola zase.
U většiny vozidel a ve většině jízdních podmínek je vše, co potřebujete, mít pouze dvě kola pro pohyb auta. Ale když je váš jízdní povrch pokrytý sněhem nebo se skládá z sypkého písku a štěrku, pomůže vám, aby všechna kola spolupracovala, aby vašemu vozu poskytla extra trakci a pohybovala se po terénu.
Zadejte pohon všech čtyř kol. Zkráceně 4WD.
4WD je typ systému pohonu, který, jak název napovídá, přenáší výkon motoru na všechna čtyři kola. S pohonem 4WD se setkáte především u nákladních automobilů a SUV.
I když jste o 4WD pravděpodobně slyšeli mnohokrát a máte mlhavou představu o tom, co dělá pro vaše auto, je velká šance, že skutečně ne vědět, co to znamená nebo jak to funguje. Takže v dnešním Gearhead 101 probereme základy systému pohonu 4WD včetně jeho výhod a toho, jak funguje. V tomto článku se zaměříme na 4WD na částečný úvazek, protože je to nejběžnější typ 4WD, který tam vidíte. Příště se podíváme na 4WD na plný úvazek.
To může být docela složité na pochopení. Takže přepněte svůj mozek na 4WD a můžeme začít.
Než se pustíme do podrobností o tom, jak 4WD funguje, musíme pochopit, proč chcete, aby motor poháněl všechna čtyři kola vašeho auta.
Jak jsme diskutovali v naší části Gearhead 101 o tom, jak funguje motor automobilu, váš motor produkuje rotační výkon nazývaný točivý moment. Hnací ústrojí (skládající se z převodovky, hnacího hřídele a diferenciálu) přenáší točivý moment motoru na kola. Aplikování točivého momentu na kola je to, co rozjede vaše auto.
Ale aby točivý moment, který byl přenesen na kola, skutečně pohnul vozidlem, musí mít vaše pneumatiky trakci na vozovce. Bez přilnavosti pneumatik můžete na kola použít tolik výkonu, kolik chcete, a stále nikam nejezdíte. Vaše pneumatiky se budou točit opravdu rychle, zatímco vaše auto zůstane na stejném místě. Tato neúčinná rotace pneumatik se nazývá protáčení kol . Pravděpodobně jste se setkali s protáčením kol, když jste se snažili odlepit auto od sněhu nebo bláta.
Takže trakce je to, co přeměňuje točivý moment motoru na pohyb vozidla. Ano, je to extrémně zjednodušené (mohli bychom jít do podrobností o roli tření v trakci, ale neuděláme to), ale je to dobrá pracovní definice.
To, co 4WD dělá, je, že zvyšuje šanci, že získáte trakci, když jedete na hranatém povrchu. Namísto spoléhání se pouze na dvě poháněná kola pro trakci (2WD), máte čtyři pohyblivá kola, která by mohla mít dobrou trakci a udržet auto v pohybu.
Řekněme například, že jste ve vozidle s pohonem 2WD se zadním pohonem a zadní kola jsou v bahně, zatímco přední kola jsou na suché zemi. Protože je v blátě menší přilnavost, vaše zadní kola se pravděpodobně budou jen protáčet a protáčet, zatímco vaše auto stojí. Bylo by hezké, kdyby se přední kola otáčela, koeficient, protože tam je trakce.
To je to, co dělá pohon 4WD.
Pokud jste ve vozidle s pohonem 4WD ve stejné situaci, přední kola, která jsou na povrchu s vysokou přilnavostí, budou získávat sílu z motoru a budou tak moci pohánět váš vůz vpřed.
Trakce 4WD je o něco složitější než to, co jsem právě popsal výše, a k některým z těchto nuancí se dostaneme níže, alevelkou výhodou je, že celkově zvýšená trakce je hlavní výhodou 4WD.
Další výhodou je vyšší výkon.
Pokud jedete v terénu do strmého kopce nebo se snažíte přejíždět překážky (jak vidíte v tomto videu), budete chtít nejen větší trakci, ale také větší výkon přenášený na vaše kola. 4WD to může poskytnout.
Většina vozidel 4WD nabízí možnost přepínat mezi dvěma rozsahy 4WD:Hi nebo Lo. 4WD-Hi umožňuje vašemu vozidlu pohánět všechna čtyři kola při rychlé jízdě v nerovném terénu – jako je štěrk nebo sněhem pokrytá silnice. Na kola je přenášeno méně energie.
Pokud potřebujete větší šmrnc, abyste se dostali přes překážku, přeřadíte na 4WD-Lo. Poskytuje vašim kolům větší výkon, ale pohybuje koly nižší rychlostí, což vám umožňuje překonat překážku pouhým přejetím.
Nyní, když víme, proč by se 4WD hodil, pojďme se podívat na to, jak to funguje.
Částečný úvazek 4WD je automobilový systém, který řidiči umožňuje zapnout 4WD pouze v případě potřeby. Na běžných jízdních površích bez zapnutého pohonu 4WD funguje stejně jako vozidlo s pohonem 2WD s pohonem zezadu. Jednou z velkých výhod vozidel 4WD na částečný úvazek je vyšší spotřeba paliva. Pohon všech čtyř kol vyžaduje více paliva než jen pohon dvou. Takže můžete ušetřit nějaké peníze za benzín tím, že použijete 4WD pouze tehdy, když to potřebujete.
Aby se při zapnutí 4WD pohybovala přední a zadní kola současně, vozidla s pohonem 4WD na částečný úvazek využívají rozdělovací převodovku, samostatnou přední hnací hřídel (kromě zadní hnací hřídele), přední a zadní diferenciál a uzávěrku. náboje. Pojďme se na tyto různé části podívat jednu po druhé.
Převodový případ
Bez převodovky by vaše vozidlo s pohonem 4 kol na částečný úvazek bylo vozidlem s pohonem 2 kol.
Rozdělovací převodovka (také nazývaná T-skříň) je to, co rozděluje výkon z motoru v poměru 50/50 na zadní i přední nápravu prostřednictvím přední a zadní hnací hřídele. Převod obvykle sedí hned za převodovkou ve vašem hnacím ústrojí. 
Červená označuje tok energie z motoru
U vozidel s pohonem 4 kol na částečný úvazek, když není pohon 4 kol zapojen, zadní kola získávají 100 % točivého momentu z motoru, stejně jako vozidlo s pohonem 2 kol. Tok výkonu v tomto scénáři vypadá asi takto:Výkon produkovaný motorem jde do převodovky. Odtud jde na výstupní hřídel a poté do rozdělovací převodovky. Uvnitř rozdělovací převodovky je výstupní hřídel spojen se zadním hnacím hřídelem. Hřídel zadního pohonu pak přenáší točivý moment na zadní diferenciál. Zadní diferenciál pak roztáčí kola a způsobuje pohyb vozu.
V pořádku. Jak tedy rozdělovací převodovka přenáší výkon na přední kola, když 4WD je zasnoubená?
Uvnitř převodovky je řada ozubených kol a řetězů. Když je zapnutý pohon 4WD, ozubená kola do sebe zapadnou, což způsobí, že řetěz pohne ozubeným kolem, které je připojeno k přední hnací hřídeli. Přední hnací hřídel se začne otáčet stejnou rychlostí jako zadní hnací hřídel a přenáší točivý moment do předního diferenciálu, který pak přenáší točivý moment na přední kola. Výložník. 4WD.
Pokud jste stále trochu zmatení, tento diagram vám poskytne celkový obrázek o úloze rozdělovací převodovky při přenosu točivého momentu motoru na přední i zadní nápravu.
Kromě převodů, které synchronizují přední a zadní hnací hřídel, mají rozdělovací převodovky u většiny systémů 4WD na částečný úvazek převodové stupně, které umožňují vozidlu řadit na nízký rozsah, když je v režimu 4WD. Jak již bylo zmíněno dříve, umožňuje to vozidlu dodat extra točivý moment (výkon) na přední i zadní kola. Tento extra výkon však získáte za cenu rychlosti. V režimu 4WD Lo může vaše vozidlo jet rychlostí pouze 15 mph.
Přední hnací hřídel
Protože vozidla s pohonem 4WD posílají výkon motoru také na přední kola, potřebuje k tomu přední hnací hřídel. Přední hnací hřídel spojuje rozdělovací převodovku s předním diferenciálem. Když je zapnutý pohon 4WD, rozdělovací převodovka rozděluje točivý moment 50/50 mezi přední a zadní hnací hřídel. Přední hnací hřídel se otáčí stejnou rychlostí jako zadní hnací hřídel a přenáší točivý moment na přední diferenciál. Přední diferenciál pak přenáší tuto sílu na přední kola prostřednictvím nápravových hřídelů.
Rozdíly
O diferenciálech jsme hovořili v našem článku o základech hnacího ústrojí. U vozidel s pohonem 2WD jediný diferenciál je umístěn uprostřed přední nebo zadní nápravy (v závislosti na tom, zda má vůz pohon předních nebo zadních kol). Síla z hnacího hřídele je přenášena přes diferenciál na každé kolo, což způsobuje jejich otáčení. U vozidla s pohonem 4WD, protože jsou poháněna všechna čtyři kola, potřebuje dvě diferenciály — jeden pro přední nápravu a jeden pro zadní nápravu.
Ale diferenciál není jen vysílač výkonu. Důvodem, proč se tomu říká „diferenciál“, je to, že ozubená kola uvnitř něj umožňují kolům na jedné nápravě pohybovat se různě rychlosti. Pravděpodobně si říkáte:"Kdy by se moje kola pohybovala různými rychlostmi?" No, běžným příkladem je, když jdete za roh. Když zatáčíte doprava, vaše vnitřní kolo (pravé kolo) urazí menší vzdálenost než vnější kolo (levé kolo). Abyste udrželi krok s vnitřním kolem, musí se vnější kolo otáčet o něco rychleji. Diferenciál to umožňuje. Pokud by mezi oběma koly bylo pevné spojení, vnitřní pneumatika by musela sklouznout nebo přeskočit, aby se náprava mohla dál pohybovat. Pro video ukázku toho, jak diferenciál funguje, se podívejte na toto:
Přední a zadní diferenciál u vozidla s pohonem 4WD umožňuje pravému a levému kolu na každé příslušné nápravě pohybovat se různými rychlostmi, takže auto při zatáčení zabraňuje přeskakování nebo smyku kol.
Zdá se to snadné, ale diferenciály na vozidlech s pohonem 4WD na částečný úvazek mohou být překvapivě složité v závislosti na tom, jakou trakci chcete. A co víc, pokud se kola otáčejí různými rychlostmi (díky diferenciálům), není to ve skutečnosti pravda 4WD. Ano, vím, že je to matoucí. Tady to za chvíli vysvětlíme.
Nejprve si ale promluvme o posledním komponentu, který umožňuje 4WD:uzamykatelné náboje.
Uzamykání rozbočovačů
U vašeho vozidla s pohonem 2WD jsou zadní kola vašeho auta přišroubována k náboji. To umožňuje nápravě protáčet kola, když je poháněna motorem. Přední kola se jen volně otáčejí.
Ale když je pohon 4WD zapojen na vozidle s pohonem 4WD na částečný úvazek, chceme přední kola připojená k náboji, aby se na ně mohl přenášet výkon z motoru. Jak vyřešíte tento problém, kdy potřebujete přední kola přišroubovat k přední nápravě, když používáte 4WD, ale nejsou přišroubovaná, když máte 2WD?
Uzamykací náboje.
Většina vozidel s pohonem 4WD na částečný úvazek má uzamykací náboje na předních kolech. Když není pohon 4WD zapojen, uzamykací náboje odpojí nápravu. Volně se otáčejí a zadní kola vozu vykonávají veškerou práci při pohybu vozidla. Když je zapnutý pohon 4WD, blokovací náboje se uzamknou v předních kolech k přední nápravě a umožňují jim získat točivý moment z motoru. 
Ruční uzamykací náboj
U starších vozidel 4WD byly náboje s ručním zamykáním standardní. Museli byste vystoupit z vozidla a otočit knoflíkem na předních kolech, dokud nebudou náboje uzamčeny. U novějších vozidel s pohonem 4WD se uzamykací náboje zapojují automaticky stisknutím tlačítka.
Dobře, vraťme se k problému, který jsem uvedl dříve a který se týká diferenciálů a trakce 4WD, a proč není pravda mít kola protáčející se různými rychlostmi u vozidla s pohonem 4WD 4WD.
Pamatujte, že hlavní výhodou 4WD je zvýšená trakce na površích s nízkou trakcí. Máte více kol dodávajících výkon proti vozovce, což zvyšuje šance, že kolo narazí na místo s vysokou přilnavostí a udrží auto v pohybu.
Ale způsob, jakým funguje nejběžnější typ diferenciálu používaný ve vozidlech (otevřený diferenciál), může zcela eliminovat schopnosti pohonu 4WD zlepšující trakci, i když jsou všechna čtyři kola poháněna motorem. Podívejme se na tento problém a také na možná řešení.
Otevřené diferenciály jsou skvělé za normálních jízdních podmínek. Ale kvůli způsobu, jakým rozdělují výkon mezi dvě kola, se stávají problémem v podmínkách jízdy s nízkou trakcí. Vidíte, že místo rovnoměrného rozdělování výkonu mezi obě kola, otevřený diferenciál rozděluje výkon mezi ně po cestě nejmenšího odporu . To je hrozné pro trakci.
Proč?
Pojďme to prozkoumat na vozidle 2WD, protože jste to pravděpodobně zažili.
Řekněme, že se snažíte jet se svým zadním vozem s pohonem 2WD po zasněžené příjezdové cestě. Levá strana je pokryta sněhem, ale pravá strana je suchá dlažba. Mysleli byste si, že to nebude problém, protože vaše pravé zadní kolo má na suché vozovce dostatek trakce, aby pohánělo auto vpřed. Ale to byste se mýlili.
V autě s otevřeným diferenciálem vaše pravé zadní kolo nedostane žádné Napájení. Pamatujte, že otevřené diferenciály rozdělují výkon na nápravu po cestě nejmenšího odporu . A v této situaci je kolo s nejmenším odporem kolo jedoucí po sněhu — levé kolo. Veškerý točivý moment se tedy přenese na vaše levé kolo. But because there’s no traction there, it just spins and spins, while leaving your car stationary.
This same thing happens on 4WD vehicles that utilize open differentials on the front and rear axles. Let’s use the same snowy driveway scenario. You’ve got 4WD engaged so you can make it up the snowy driveway. The transfer case is sending an equal amount of power to the front and rear differentials. You think to yourself “That snow on the left side shouldn’t be a problem at all! I’ve got plenty of traction on the right side and I’ve got both right wheels moving!”
But the differentials on your 4WD are open differentials. And open differentials distribute power across the axle following the path of least resistance. The snow-covered left side has the least amount of resistance. Guess what happens?
All the power goes to the left wheels, causing them to spin in place while your right wheels just sit there like a bunch of lugs leaving your vehicle at the bottom of the driveway. Your 4WD was made impotent by your open differentials.
Never fear. There are solutions to this problem. One is to replace the open differentials with limited slip differentials. The second is to replace the open differential with a locking differential on the front or rear axle (or for even more traction, both).
Let’s take a look at each of these solutions.
Limited slip differentials (LSDs) work a lot like open differentials. The difference is instead of sending all the torque to the wheel with the least amount of traction (like with open differentials), LSDs send some of the power to the wheel that actually has traction. It does this automatically, without any input from the driver.
So let’s revisit our snowy driveway scenario, now with LSDs on both the front and rear axles. You’ve got the 4WD engaged. The transfer case is sending an equal amount of power to the front and rear LSDs. The left wheels hit the snowy part. Instead of all the power going to the left side — like would happen if you had open differentials — the LSDs send some of the power to the right wheels that have more traction, allowing your car to move forward.
Limited slip differentials definitely improve traction compared to open differentials. For most 4WD scenarios, LSDs are all you need for adequate traction. But LSDs still don’t provide optimal traction because some of the power is still going to the wheels with less traction. There’s still a chance of wheel slip.
The other downside of LSD is that traction is unpredictable with them. The LSD sends power to the wheel with less traction, but the power isn’t supplied continuously. It’s re-routed to the other wheel as the gripping wheel begins to slip. This can cause the vehicle to pull to one side when traction is reduced. Basically, it can cause a bumpy and uneven ride.
Locking differentials takes things to another level by forcing each wheel on an axle to get the same amount of power, no matter the traction differences on each wheel. This gives a wheel that may have more traction a better chance of moving the car in a low traction situation.
Locking differentials are usually driver engaged, but there are 4WD vehicles that have auto-locking differentials.
Depending on the vehicle, a locking differential can be just on the rear axle with an open or limited slip differential on the front or you could have locking differentials on both the front and rear axles.
A 4WD vehicle that has two locking differentials provides true 4WD — all four wheels turn with the same amount of power no matter the situation. Even if the wheels on one side of your vehicle are completely off the ground, the wheels that are still on the ground will still continue to get a steady amount of torque.
Dual locking differentials are typically only used on 4WD vehicles that do extreme off-roading like driving over boulders and what not. For most average folks, just having 4WD that has LSDs on both the front and rear axles or a rear-locking differential with a front LSD will be enough.
This video gives great examples of what traction on a 4WD looks like with open differentials, limited slip differentials, and locking differentials:
Driving with 4WD takes some know-how. It should only be used when you’re facing low-traction driving situations. If you use it when traction is great (like on dry pavement), your overland adventure will be cut short by a detour to the mechanic.
To understand why this is so, you need to understand the battle that’s going on between the left and right wheels as well as between the front and rear wheels when making a turn. 
When a car turns, each wheel has to travel a different distance to make the turn.
As we discussed earlier, when a car is making a turn, the outside wheel has to go further than the inside wheel. To keep up with the inside wheel, the outside wheel must spin slightly faster. The open and limited slip differential makes this possible.
However, if the two wheels were locked and moving at the same speed together (like what happens when you engage a locking differential), the inside tire would need to skid or skip in order for the axle to keep moving. This isn’t a problem on dirt or snow covered roads. There’s less traction in these driving situations, so tires can slide without experiencing too much wear or tear.
It becomes a problem when you try to make a similar turn on dry pavement with the differential locked. Remember, the outside wheel wants to go fast to keep up with the inside wheel, but because it’s locked with the inside wheel, it can’t. To keep up, it has to skid, but because there’s a lot of traction on pavement, this skidding chews the crap out of your outside tire. That hard skidding on pavement also places a great deal of stress on your axle shafts.
So 4WD driving takeaway #1:If your 4WD vehicle has an option to lock one or both of your differentials, never do it on dry pavement. You’ll just wear out your tires and possibly damage your axles.
When you’re making a turn, there’s also a battle going on between your front and rear wheels. The wheels on the front axle have to travel a longer distance than the rear wheels. To keep up with the rear wheels during a turn, the front wheels must spin slightly faster. If they don’t, the rear wheels will need to be able to skid and slide in order for the axle shafts to keep moving.
This isn’t a problem with 2WD vehicles because the non-driving axle allows the front wheels to freely spin faster than the rear wheels. Turning becomes a problem when you engage 4WD.
As you recall, when you engage 4WD, the transfer case locks the front and rear drive shafts together. They send the same amount of power, or RPM, to the front and rear differentials. Forcing the front and rear drivetrains to work together like this creates a battle between the two when you’re making a turn with 4WD engaged. The front wheels need to go faster to keep up with the rear wheels, but the transfer case and front drive shaft are telling the front wheels to go the same speed as the rear wheels. This creates tension between them.
One way to relieve this tension is to let the rear tires slip and slide a bit. And that’s what happens in low traction situations like dirt or snow because they provide the needed “give” to allow your front wheels to slip and slide when making a turn.
But when your 4WD vehicle is making a turn on dry pavement with lots of traction, that “give” doesn’t exist. The tires can’t slip and slide. So this creates a tug-of-war between the front wheels and the front drivetrain. When making a turn the front wheels are forced by good traction and geometry to rotate faster than the rear wheels. But the front drive shaft is delivering the same RPM as the rear drive shaft is to the rear wheels. The front drive shaft is basically telling the front wheels “Hey! Go the same speed as everyone else!” while the front wheels themselves are saying “Nope!”
Imagine a bar that’s connected to a rotating gear at each end. The gears spin the bar in the same direction, but one end is spinning it at a faster speed than the other. That’s basically what’s happening between your wheels and front driveshaft. 
A visual of what happens to your front drivetrain whenever you make a turn on pavement with the 4WD engaged.
This battle between the front wheels and the front drive shaft stresses all the parts on the front drive train, from the axles to the transfer case. Gears along the front drivetrain and in the transfer case start binding and jamming together. This is called “drivetrain binding” or “wind-up” and it can seriously jack up your 4WD drivetrain.
You’ll know you’ve got a case of drivetrain binding if the car is jerking around a lot when you’re driving, and if it’s impossible to disengage the 4WD and shift back to 2WD. You can sometimes “unwind” your drivetrain wind-up by slowly driving backwards, but it doesn’t work all the time. If you made a particularly fast turn in 4WD on dry pavement, the tension it causes can cause the weakest links in your front drive train to break — u-joints, differential gears, transfer case gears, drive shafts, etc.
Lest you think you can get away with driving in 4WD on pavement, but just go straight, take heed. Different tire pressures on your wheels can also cause this wind-up even when driving straight on pavement in 4WD. Take a look at what happened to this guy’s transfer case after accidently driving straight in 4WD on the freeway.
So 4WD driving takeaway #2:Never engage your 4WD on dry pavement. You’ll just jack-up your drivetrain.
Well, there you go. A primer on how part-time 4WD works. I hope it was helpful. Even if you never purchase a 4WD vehicle, you’ll at least know what people are talking about next time 4x4s come up in conversation. In our next edition of Gearhead 101, we take a look at how full-time 4WD, as well as AWD, works.
