Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Systémy pohonu všech kol u osobních automobilů

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Systémy pohonu všech kol u osobních automobilů Bakalářská práce Vedoucí práce: doc. Ing. Pavel Sedlák, CSc. Vypracoval: Michal Řezník Brno 2012

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Systém pohonu všech kol u osobních automobilů vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana AF MENDELU v Brně. dne.. podpis.

PODĚKOVÁNÍ Dovoluji si tímto poděkovat doc. Ing. Pavlovi Sedlákovi, CSc. za jeho odborné vedení při vypracování bakalářské práce, za poskytnutí cenných rad a odborných informací k práci.

Abstrakt Cílem této bakalářské práce je shrnutí jednotlivých koncepcí pohonu všech kol u osobních automobilů. V práci jsou popsané jednotlivé koncepce, princip činnosti a možnosti použití. U jednotlivých pohonů jsou uvedeny výhody a nevýhody použití. V další části jsou popsané vybrané druhy konstrukcí. Konec práce naznačuje směr, jakým se bude pohon všech kol ubírat v dalších letech. Abstract Aim of this bachelor thesis is summary of conceptions four wheels driven automobiles. There are described particular conceptions, principle of operation a way of using in this thesis. There are introduced advantages and disadvantages of particular options. In another part are described selected types of constructions. The ending of thesis imply direction of progress in all wheels direction. Klíčová slova Pohon všech kol, spojka, diferenciál Key words Wheel s drive, clutch, differential

OBSAH 1 ÚVOD... 9 2 CÍL PRÁCE... 10 3 POHLED DO HISTORIE POHONU 4X4... 11 4 ZÁKLADNÍ POJMY... 12 4.1 Rozvodovka... 12 4.1.1 Druhy rozvodovek... 13 4.2 Diferenciál... 13 4.2.1 Druhy diferenciálů... 13 5 ROZDĚLENÍ KONCEPCÍ POHONU VŠECH KOL... 19 5.1 Připojitelný pohon všech kol s rozdělovací převodovkou:... 19 5.1.1 Základní typy rozdělovacích převodovek... 19 5.2 Stálý pohon všech kol... 20 5.2.1 Viskózní spojka... 21 5.2.2 Volnoběžná spojka... 22 5.3 Samočinně připojitelný pohon všech kol s elektronickou regulací... 23 5.3.1 Mezinápravová rozvodovka - Viscomatic... 23 5.3.2 Mezinápravová spojka - Haldex... 24 5.4 Manuálně připojitelný pohon všech kol... 26 6 POHON 4X4 U JEDNOTLIVÝCH VÝROBCŮ AUTOMOBILŮ... 28 6.1 Nissan 4x4 All mode... 28 6.2 AUDI stálý pohon všech kol (Quattro)... 29 6.2.1 Podélný systém Quattro... 29 6.2.2 Příčný systém Quattro... 30 6.3 BMW systém xdrive... 31 6.4 Honda Super Handling All-Wheel-Drive (SH-AWD)... 33 6.5 Subaru Symmetrical AWD... 34

7 ZÁVĚR... 37 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ... 38 SEZNAM OBRÁZKŮ... 41

1 ÚVOD Pohon 4x4 se u osobních automobilů začal využívat z několika hledisek. Konstruktéři začali využívat pohon všech kol z několika důvodů. Jeden z důvodů je přenos vyššího výkonu motoru (větší styková plocha kol na podložku). Dalším důvodem je větší průchodnost terénem. Pohon všech kol je také vhodný i na mokrou vozovku, popřípadě když je pokrytá sněhem nebo ledem. V těchto situacích se začínají ukazovat nedostatky hnané pouze jedné nápravy. Pohon všech kol máme trvalý nebo zapínatelný ať už manuálně nebo elektricky. (1) U osobních automobilů se využívá pouze jedna hnací náprava i z ekonomického důvodu a to proto, že u jedné hnací nápravy se ušetří na dalších konstrukčních dílech. Kterými jsou: mezinápravový diferenciál. (1) Hlavní přednosti pohonu všech kol: (1) zlepšené trakční schopnosti zejména na kluzké vozovce, zvýšení schopnosti rozjezdu a stoupavosti nezávisle na zatížení, vysoká schopnost akcelerace zejména u motorů nad 120 kw, malá citlivost na boční vítr, příznivější chování z hlediska aquaplaningu (při neuzavřeném mezinápravovém diferenciálu), obzvlášť vhodné pro tažení přívěsu, příznivé rozdělní zatížení náprav, zmenšený nájezd do zatáčky při ubrání plynu, stejnosměrné opotřebení pneumatik. Nevýhody této koncepce: (1) zvýšené pořizovací náklady, poněkud vyšší pohotovostní hmotnost vozidla a s tím spojené nepatrně zhoršená schopnost akcelerace vozidla u motorů pod 100 kw, vyšší spotřeba paliva o 5-10%, menší zavazadlový prostor. 9

2 CÍL PRÁCE Cílem bakalářské práce ba téma Systémy pohonu všech kol u osobních automobilů je vytvoření přehledu pohonu 4x4 pro osobní automobily, princip činnosti, konstrukce a výběr jednotlivých druhů pohonu všech kol. Jsou zde uvedeny jednotlivé výhody a nevýhody jednotlivých konstrukcí. 10

3 POHLED DO HISTORIE POHONU 4X4 Automobilový průmysl a jeho vznik se datuje do poslední třetiny devatenáctého století. První automobil s pohonem 4x4 byl zkonstruován v roce 1903. Byl to sportovní automobil s názvem Spyker s výkonem okolo 45 kw. (1) O dva roky později přišla s nápadem pohonu všech kol americká společnost Brookville. Realizace tohoto nápadu byla provedena až v roce 1911 společností FWD z Wisconsinu. Automobil s parním pohonem s označení Z&W 4x4 využíval patentované řešení hnacích kloubů. Společnost FWD se stala největším výrobcem vozidel s pohonem 4x4 na světě. Dodávala americké armádě a ta je využívala v první světové válce. (13) Další velké jméno v automobilovém světě Ettore Bugatti zkonstruoval své první vozidlo s pohonem všech kol. Byly to hned tři sportovně laděné automobily s označením 53. Bohužel tyto vozy byly známé tím, že měly problémy se zatáčením. (1) Vozidla s pohonem všech kol využívala armáda v průběhu druhé světové války. Vozy dodávala především společnost Jeep od firmy Bantam. Ale z důvodů vysoké poptávky byla výroba přesunuta do výrobního závodu společnosti Ford a Willys Overland (ta se stala i vlastníkem značky Jeep). Tato firma posléze v roce 1945 představila první sériově vyráběný osobní automobil s pohonem 4x4 s označením CJ-2A. Společnost Willys Overland se rozhodla zastavit výrobu osobních automobilů a soustředit na vozy do terénu. Časem se ukázalo, jaký to byl mistrovský tah, který se firmě podařil udělat. Automobily jako Jeep kombi nebo Jeepster convertible byly velmi populární. Přestože byla firma Willys Overland pohlcena jinými společnostmi, popularita vozů Jeep neubírala na intenzitě. (13) Pohon všech kol, byl začátkem druhé poloviny dvacátého století spojován s výrazným zlepšením jízdních vlastností nejen u terénních, ale i nákladních a osobních automobilů. Proto se do jeho vývoje investovaly nemalé finanční prostředky. (13) Prvním vozidlem, které uspělo s pohonem všech čtyř kol pro standartní silniční provoz, bylo Subaru s modelem Leon 4WD (four-wheel drive) v roce 1972. Stal se nejprodávanějším automobilem s pohonem 4x4. Na začátku 80. let se firma Audi prezentovala s vozidlem Quattro s revoluční koncepcí pohonu všech kol. Do dnešní doby automobilka využívá bohaté zkušenosti ke zdokonalení systému pohonu všech kol Quattro. (13) 11

4 ZÁKLADNÍ POJMY U všech typů vozidel s pohonem na obě nápravy, bez ohledu na jejich koncepci pohonu je nutné použít rozvodovku, diferenciál a rozdělovací převodovku. (1) 4.1 Rozvodovka Je to část v převodovém ústrojí, přenášející hnací sílu motoru na kola vozidla. Zároveň převádí podélný točivý moment na příčný. Tento úkol plní soukolí talířového ozubeného kola a pastorku. Tímto soukolím se zároveň snižují otáčky od převodovky a zároveň se tak zvyšuje hnací síla. Pastorek je kuželové ozubené kolo na konci hnacího hřídele z převodovky a je hnací částí soukolí. Uvedeno na obr. 1 (1) Obr. 1 Rozvodovka (2) 12

4.1.1 Druhy rozvodovek a) čelní používá se v rozvodovkách u napříč uložených poháněcích soustav osobních automobilů a v dvojnásobných rozvodovkách nákladních automobilů b) kuželové převody nejrozšířenější druh převodu. Tyto rozvodovky jsou nejpoužívanější. Máme ale i další druhy: Rozvodovky hypoidní, šnekové, dvoustranné atd. 4.2 Diferenciál Účelem diferenciálů u automobilů je, umožnit rozdílné otáčky hnacích kol a rovnoměrně rozdělit točivý moment na obě hnací kola. 4.2.1 Druhy diferenciálů Kuželový diferenciál diferenciál je planetové soukolí, které rozděluje točivý moment na vstupní hřídeli mezi dva výstupní hřídele nezávisle na jejich otáčkách. Používá se zejména jako součást převodového ústrojí motorových vozidel (obr. 2). Při zatáčení vozila, mají hnaná kola rozdílnou dráhu, a proto vnější kola konají delší dráhu než vnitřní. Nejběžnější kuželový diferenciál se skládá z kuželových centrálních kol na hnacích hřídelích obou náprav, z příčně uložených a volně otočných kuželových satelitů a ze společné skříně. (2) Obr. 2 kuželový diferenciál (21) 13

Čelní diferenciál skládá se z čelních ozubených kol (obr. 3). Tvoří se pastorkem a klecí diferenciálu stejně jako diferenciál kuželový. Klec je upevněna na talířové kolo. Centrální kola a satelity mají čelní ozubení. Je zde rozdílné uspořádání kol. Satelit není v záběru s oběma centrálními koly, ale polovina satelitu zabírá s jedním centrálním kolem a druhá polovina s druhým satelitem, který je v záběru s druhým centrálním kolem. Diferenciál má dva páry satelitů, které jsou vzájemně pootočeny o 180 º. Princip je stejný jako u kuželového diferenciálu (1) Obr. 3 čelní diferenciál (1) Výhody: menší průměr klece (oproti kuželovému diferenciálu), tichý chod, snadná montáž, levné díly. Nevýhody: delší konstrukce (oproti kuželovému diferenciálu) 14

Závěr diferenciálu čelem je vyřadit diferenciál z činnosti při rozjezdu na kluzké vozovce. Tuto funkci plní závěr diferenciálu. Závěr diferenciálu znehybňuje centrální kolo vůči diferenciálu a je ovládán řidičem mechanicky nebo elektropneumaticky. Diferenciál může být vyřazen např. zubovou spojkou (obr. 4). (3) Obr. 4 závěr diferenciálu se zubovou spojkou (3) Samosvorné diferenciály obsluha závěru diferenciálu stěžuje provoz vozidla. Proto používáme takzvané samosvorné diferenciály, které mají na vozovce s dobrou adhezí stejnou funkci jako diferenciály kuželové nebo čelní. V případě, že začne jedno hnací kolo prokluzovat nebo se otáčet podstatně rychleji než druhé hnací kolo, vzniká u samosvorného diferenciálu zvýšené tření, které zamezí příliš velkým rozdílům otáčení hnacích kol a zabraňuje volnému protáčení kol vůči sobě. Točivý moment se v tu chvíli nerozděluje v poměru 50:50, ale větší část točivého momentu se přivádí na kolo s lepší adhezí. Nejčastěji se používají diferenciály s třecí lamelovou spojkou nebo šnekové diferenciály Torsen. (1) Samosvorný diferenciál s třecí lamelovou spojkou kromě obvyklých částí obsahuje dva přítlačné kotouče a dvě lamelové spojky. Přítlačné kotouče jsou na obvodu opatřeny unášecími výstupky, které zasahují do podélných drážek v kleci diferenciálu. Jsou poháněny klecí, ale mohou se axiálně posouvat. Mezi vnější čelní plochou přítlačných kotoučů a čelními plochami klece diferenciálu jsou umístěny lamely. Unášecí výstupky vnějších lamel zasahují do podélných drážek v kleci diferenciálu, vnitřní lamely jsou spojeny s centrálními koly pomocí ozubení. Oba dva přítlačné kotouče mají ve svých 15

vnitřních čelních plochách vyfrézovány čtyři klínové výřezy, ve kterých jsou uloženy čepy satelitů. Předpětí v lamelách je vytvořeno talířovými pružinami (obr. 5). (1) Točivý moment přiváděný z převodovky se zvětší pomocí stálého převodu a přes klec diferenciálu je veden na přítlačné kotouče. Obr. 5 samosvorný diferenciál s třecí lamelovou spojkou (1) Šnekový samosvorný diferenciál Torsen Diferenciál Torsen je zkonstruován americkou společností Gleason a jeho název je odvozený citlivostí na změnu hnacího momentu (torque-sensing). Tenhle druh diferenciálu byl poprvé použit v osmdesátých letech ve vozech Audi a Lancia. Torsen je mechanický samosvorný diferenciál, který podle potřeby rozděluje hnací sílu mezi přední a zadní nápravu. Vyhodnocuje přenášený točivý moment a v závislosti na jeho velikosti mění velikost přenášené síly na jednotlivé nápravy - reaguje tedy na rozdílné síly mezi vstupním a výstupním hřídelem (přední a zadní nápravy). To umožňuje proměnné rozdělení síly mezi nápravami. Torsen jsou dvě výstupní kola navzájem spojená šnekovým kolem. Omezují vysoké rozdíly rotace a současně vyrovnávají rozdíly v rychlosti otáčení kol při průjezdu zatáčkou. (15) Diferenciál Torsen se skládá ze tří párů satelitů, které jsou uloženy otočně na čepech satelitů. Jsou opatřeny šnekovým ozubením a čelním ozubení s přímými zuby. 16

Satelit se šnekovým ozubením je v záběru se šnekovým planetovým kolem, čelní ozubení je v záběru s čelním ozubením párového satelitu. Točivý moment je přiváděn z převodovky přes stálý převod, klec diferenciálu, čepy satelitů a šnekové centrální kolo na oba hřídele hnacích kol (obr. 6). (1) Princip činnosti diferenciálu Torsen: Mají-li hnací kola stejné otáčky, tak satelity které jsou umístěny na čepech, se neotáčejí a zastávají práci jen jako zubové spojky. Točivý moment je rozdělen na obě hnací kola ve stejném poměru. Při vjezdu do zatáčky se satelity začnou otáček na čepech a je možné měnit otáčky hnacích kol. Začne-li se jedno kolo protáčet z důvodů nízké přilnavosti k vozovce, zvýší se tření ve šnekovém ozubení a vlivem třecího odporu ve šnekovém ozubení dojde k přibrzdění prokluzujícího kola. Když nastane případ, že bude prokluzovat jedno hnací kolo, tak je větší část točivého momentu přenese na kolo s lepší adhezí. Diferenciály Torsen jsou konstruovány tak, aby jejich svornost byla asi 35% a účinnost diferenciálu asi 65%. (1) Obr. 6 samosvorný diferenciál Torsen (1) 17

V současnosti jsou tři typy Torsenu: Typ I. používá překřížené osy šroubovitých převodů ke zvýšení interního tření. (14) Typ II. používá paralelní uspořádání převodů pro dosažení podobného efektu. Typ I. Může být navržen pro větší točivé momenty než typ II., ale hůře reaguje na problémy hluku a vibrací. Vyžaduje preciznější nastavení a instalaci. (14) Typ III. planetový typ diferenciálu, ve kterém zamýšlené rozložení momentu není 50:50. (14) 18

5 ROZDĚLENÍ KONCEPCÍ POHONU VŠECH KOL 1) Připojitelný pohon všech kol s rozdělovací převodovkou. 2) Stálý pohon všech kol. 3) Samočinně připojitelný pohon všech kol s elektronickou regulací. 5.1 Připojitelný pohon všech kol s rozdělovací převodovkou: Vozidla, která mají tento druh pohonu, jsou vybaveny rozdělovací převodovkou, která přenáší točivý moment na diferenciál přední a zadní nápravy. Většinou je vozidlo poháněno pouze koly jedné nápravy. Když se zařadí pohon všech kol, pevně se propojí přední a zadní náprava. (2) 5.1.1 Základní typy rozdělovacích převodovek Rozdělovací převodovka bez diferenciálu s volitelným připojením pohonu přední nápravy v terénu, permanentně je poháněna pouze zadní náprava. Při zapnutém pohonu přední nápravy (řadicí objímka se posune doprava) spojí vzájemně pohon přední i zadní nápravy a to jak při zařazeném silničním rychlostním stupni, tak při redukovaném rychlostním stupni určeném pro jízdu v terénu. (1) Rozdělovací převodovka s mezinápravovým diferenciálem permanentně jsou poháněny obě nápravy vozidla, točivý moment je rozdělován v určitém poměru. Diferenciál je vybaven připojitelnou uzávěrkou. Mezinápravový diferenciál zajišťuje při zařazeném rychlostním silničním i terénním stupni rozdělení točivého momentu v poměru 33 % pro pohon přední a 67 % pro pohon zadní nápravy. Toto rozdělení zohledňuje zatížení náprav nákladního vozidla; v praxi se používají i jiné poměry rozdělení točivého momentu. (1) Mezinápravový diferenciál je navržen jako diferenciál s čelním nebo kuželovým ozubením a je vybaven samostatnou uzávěrkou s mechanickým ovládáním. Ta slouží k tomu, aby v těžkém terénu zabránila protáčení kol jedné nápravy. Je-li tato uzávěrka sepnuta, pak je pohon přední a zadní nápravy pevně spojen. Uzávěrku je možné použít pouze v těžkém terénu za snížených adhezních podmínek! Rozdělovací převodovky mohou být vybaveny výstupem pro pohon pomocných agregátů, který lze zapnout na stojícím i pohybujícím se vozidle. (1) 19

5.2 Stálý pohon všech kol V tomto případě jsou trvale poháněna všechny čtyři kola. Přední a zadní náprava jsou vzájemně propojeny mezinápravovým diferenciálem. Ten je nutný pro vyrovnání otáček mezi koly přední a zadní nápravy. Přední kola mají větší poloměr otáčení a větší rychlost než zadní kola a nedošlo k namáhání hnacího ústrojí (obr. 7). Díky mezinápravovému (centrálnímu) diferenciálu se výkon ideálně přenáší na všechny čtyři kola a ta mají lepší přilnavost a to vede i k bezpečnější jízdě. (1) K zablokování mezinápravového diferenciálu a diferenciálu zadní nápravy se používá viskózní spojka nebo diferenciály s uzávěrkou. Tyto diferenciály jsou zablokovány, jestliže kola z důvodu příliš velkého hnacího momentu prokluzují. Při rozdílné adhezi předních a zadních kol, jejichž prokluz signalizují čidla otáček kol na řídící jednotce společné pro protiblokovací soustavu, blokuje tento diferenciál elektronicky ovládaná vícelamelová spojka a v mezním případě přenese celý točivý moment jedna náprava. Elektronická řídící jednotka reaguje na počínající prokluz okamžitě se zpožděním do 20 milisekund. (1) Dnes se používá diferenciál se šnekovým provedením (tzv. diferenciál Torsen). Ten zajišťuje závěrným účinkem proměnné síly mezi předními a zadními koly vzhledem k aktuálním adhezním podmínkám. (1) U dnešních konstrukcí se klasická závěra nahrazuje levnějším řešení, které její funkci simuluje zásahem na brzdách protáčejících se kol. Řídící roli hraje elektronika. Vychází se hlavně ze systémů ABS (Anti-lock Brake Systém) a TCS (Traction Control Systém). Ta po vyhodnocení signálu příslušných čidel dává signály pro ventily ovládající tlak na brzdách jednotlivých kol. (1) 20

Obr. 7 rozdílné poloměry otáčení jednotlivých kol (1) 5.2.1 Viskózní spojka U automobilů s pohonem všech čtyř kol plní viskózní spojka funkci samosvorného mezinápravového diferenciálu (obr. 8). (3) Obr. 8 Viskózní spojka v rozloženém stavu Hnací i hnané lamely mají stejné otáčky za předpokladu, že se vozidlo pohybuje v přímém směru jízdy po vozovce a má dostatečnou přilnavost. Viskózní spojka se otáčí jako celek a systém se chová jako tuhý pohon všech kol. Ve skříni viskózní spojky jsou ocelové lamely, které mají speciální úpravu, aby se zlepšila přilnavost mezi lamelou a silikonovým olejem. Pro přenos větších točivých momentů mají hnací lamely kruhové 21

otvory. Umístění otvorů a výřezů je optimalizováno tak, aby nastalo vhodné proudění oleje při vzájemném pohybu lamel. Při rozdílných otáčkách hnacích a hnaných lamel se naruší soudržnost oleje, který se nakonec přeruší ve středové ploše mezi lamelami. Při velké viskozitě oleje vyvolá kapalinové tření. Viskózní spojka začíná pracovat v případě rozdílných otáček přední a zadní nápravy. Tehdy vznikne důvod pro přerozdělení hnacího momentu přenášeného mezi přední a zadní nápravou (obr. 9). (3) Obr. 9 Schéma pohonu 4x4 automobilu VW Golf Syncro (2) 5.2.2 Volnoběžná spojka Součástí pohonu 4x4 VW Golf Syncro je i volnoběžka. Díky volnoběžce neruší tento způsob pohonu 4x4 činnost systému ABS. Když vozidlo nemá ABS, poskytuje volnoběžka určité výhody. V Případě zablokování předních kol při brzdění se zastaví i hnací člen volnoběžky, volnoběžky se odblokuje a její hnací člen, se může otáček dále původními otáčkami. Tím se zabrání smyku a vybočení zadní nápravy a vozidlo si zachová směrovou stabilitu. V případě zablokování zadních kol se zablokuje i volnoběžka. Přední hnací kola, pomocí viskózní spojky roztočí kola zadní nápravy. Po zabrzdění parkovací brzdou se vlivem zablokování volnoběžky přenáší brzdící síla na všechny čtyři kola (obr. 10). (2) 22

Obr. 10 Volnoběžka (3) 5.3 Samočinně připojitelný pohon všech kol s elektronickou regulací Stálý pohon všech kol pomocí viskózní spojky je velmi jednoduché a účelné řešení. Splňuje svůj účel, ale má své nedostatky. Mezi hlavní nedostatky patří omezený přísun točivého momentu na zadní nápravu. Tento systém není schopen poznat, zda při rozdílných otáčkách kol na zadní nápravě se jedná o prokluz způsobený nedostatečnou přilnavostí nebo příliš rychlým průjezdem zatáčky. (2) Další problémem je horší spolupráce se stále zdokonalovaným protiblokovacím systémem ABS, popřípadě protiskluzovým systémem ASR nebo nově dodávanými stabilizační systémy ESP (Electronic Stability Program). Právě tyto nevýhody regulují nebo úplně odstraňují systémy s elektronickou regulací propojení pohonu všech kol s mezinápravovou rozvodovkou nebo mezinápravovou lamelovou spojkou. (2) 5.3.1 Mezinápravová rozvodovka - Viscomatic Tento systém je prvním elektronicky regulovaným pohonem všech kol, který byl poprvé použit v automobilu Alfa Romeo 164 Quadrifoglio a to v roce 1992. Zde se využívá kombinace jednoduchého planetového převodu a hydrostaticky ovládané viskózní spojky. Spojení těchto dvou systémů umožňuje plynule měnit rozdělení točivého momentu. Rozdělovací planetová převodovka s viskózní spojkou je spojena se zadní nápravou. (2) 23

Jednoduše řečeno se jedná se o viskózní spojku, u které řídící jednotka ovládá pomocí hydraulického oleje změnu mezery mezi lamelami viskózní spojky (obr 11). (3) Obr. 11 Viscmatic u vozidla s pohonem 4x4 Alfa Romeo quadrifoglio(2) 5.3.2 Mezinápravová spojka - Haldex Tento systém pohonu všech kol byl zkonstruován švédskou firmou Haldex ve spolupráci s automobilkami Steyer-Daimler-Puch a koncernem Volkswagen. A první uplatnění získala ve vozidlech VW Golf 4 Motion a Audi TT Coupé Quatro a to v roce 1998. (1) 24

Mezinápravová spojka Haldex samočinně přiřazuje pohon zadní nápravy. Spojka Haldex je elektrohydraulicky ovládaná spojka s vlastní elektronickou řídící jednotkou. Pomocí snímačů vyhodnocuje schopnost přenosu hnací síly z kola na podložku u přední nápravy. V případě nedostatečné adheze je vyslán signál pro zapojení i zadní nápravy. Řídící jednotka spojky Haldex vyhodnocuje potřebné informace jako např. otáčky kol, polohu pedálu, otáčky motoru, činnost ABS, ASR, ESP apod. a podle situace přivede 5 až 65 % hnací síly k zadní nápravě (obr. 12). Při rozdílných otáčkách vstupního a výstupního hřídele se aktivuje hydraulické čerpadlo, od něhož proudí olej k pístu spojky, kde dojde ke stlačení lamel a snížení rozdílu v otáčkách. Jednosměrnými ventily dochází ke změně tlaku oleje a tím se mění tlak na lamely spojky. (1) Obr. 12 mezinápravová spojka Haldex 4. Generace (20) 25

Obr. 13 konstrukce Haldex spojky (19) Spojka Haldex je uložena na zadní nápravě a to v přední části mezi spojovacím hřídelem a rozvodovkou zadní nápravy. To napomáhá k ideálnímu rozložení hmotnosti mezi obě nápravy pro lepší jízdní vlastnosti vozu. Mezinápravová spojka Haldex je ovládaná dvojicí pístů, ke kterým dodává potřebný tlak axiální hydraulické čerpadlo. Elektronická řídící jednotka spojky Haldex přijímá hodnoty snímačů ABS na všech čtyřech kolech a při jakékoliv změně adhezních podmínek velmi rychle vyhodnotí rozdíly v otáčkách kol obou náprav změnou tlaku oleje působícího prostřednictvím ovládacích pístů na spojku. Haldex tak přenese na zadní nápravu jen tolik točivého momentu kolik je v daný okamžik ideální pro optimální jízdní vlastnosti hlavně v extrémních podmínkách. Tím se zaručí optimální záběr všech kol na kluzké vozovce. Další velkou výhodou tohoto systému je snížení spotřeby paliva oproti systému s mezinápravovým diferenciálem, protože za klidných podmínek je pohon zadní nápravy trvale odpojen. (1) 5.4 Manuálně připojitelný pohon všech kol Pro vozidla vhodná do terénu např. Mercedes-Benz 250 GD 4x4 nebo Opel Frontera i vozidla typu pick-up např. Opel Cambo nebo VW Taro se převážně používá manuálně připojitelný pohon všech kol. (1) U tohoto typu pohonu všech kol se rozdělovací převodovka skládá z dvoustupňové předlohy pro silniční a terénní převod a separátního připojení pohonu předních kol. Následně nám plynou tři různé možnosti: (1) 26

silniční převod s pohonem pouze zadních kol, silniční převod s předním a zadním pohonem, terénní pohon s předním a zadním pohonem. Hnací moment mezi přední a zadní hnací nápravou je rozdělen v poměru 50:50 a to z důvodů, že rozdělovací převodovka s manuálně připojitelným pohonem i druhé nápravy není vybavena mezinápravovým diferenciálem. Tím vzniká vysoké namáhání hnacího mechanismu a vysoké opotřebení pneumatik. Tuto nevýhodu je možno eliminovat vložením volnoběžky na připojovanou nápravu (Obr. 14). (1) Obr. 14 rozdělovací převodovka připojená k přímo řazené převodovce (1) Výhody tohoto konceptu: velmi dobrá přilnavost, nižší spotřeba paliva při jízdě s jednou hnací nápravou. 27

6 POHON 4X4 U JEDNOTLIVÝCH VÝROBCŮ AUTOMOBILŮ 6.1 Nissan 4x4 All mode Nissan má stálý pohon předních a elektromechaniky řiditelný pohon zadní nápravy. Stejně jako ve většině případů i Nissan má hnací ústrojí uložené vpředu napříč. Nad přední nápravou najdeme motor s převodovkou, z níž je kuželovým soukolím vyveden pohon kloubového hřídele k respektive zadním kolům. Před zadní nápravou, zadním diferenciálem je uložena hlavní část celého systému. Ten se stará o ideální rozdělení hnací síly mezi obě nápravy. Systém nabízí zvýšení aktivní bezpečnosti a vynikající jízdní vlastnosti. (16) Dokáže eliminovat ztrátu přilnavosti zadní nápravy tak, že časová prodleva sníží na pouhé pootočení hnaných kol jen o pár stupňů. Tento systém umožňuje přepínat dva jízdní režimy pohonu všech kol. Auto a Lock (obr. 15). V případě zvolení režimu Auto systém samočinně rozděluje točivý moment na jednotlivá kola podle aktuální situace. Za standartních podmínek se u tohoto systému pohonu všech kol používá pouze pohon přední nápravy. V Případě prokluzu přední nápravy, rozdělí mezinápravová spojka elektronicky řízená točivý moment v přesném poměru mezi obě hnací nápravy. (16) V Případě zvolení režimu Lock se mezinápravová spojka uzamkne a rozdělí se točivý moment v přesném poměru 57% hnací síly na přední nápravu a 43% na zadní nápravu. Tento režim se používá v těžkém terénu. Při překročení určité rychlosti se systém pohonu 4x4 automaticky přepne na režim Auto. (16) 28

Obr. 15 schéma pohonu Nissan All mode 4x4 6.2 AUDI stálý pohon všech kol (Quattro) Permanentní pohon všech kol Quattro, který využívá ve svých vozech automobilka Audi. Poprvé byl tento druh pohonu představen v Ženevě v roce 1980 na modelu Audi Quattro. Od té doby automobilka tento pohon využívá téměř ve všech řadách, které produkuje. (6) 6.2.1 Podélný systém Quattro Zde je motor a převodovka uložena podélně. Síla je přenášena do centrálního diferenciálu, který rozděluje hnací sílu mezi přední a zadní nápravu. Od roku 1987 se začal používat centrální diferenciál Torsen. Ten zaručuje stálý přenos hnací síly na kola. Výhoda u tohoto systému je cítit také při akceleraci v zatáčení, vzhledem k tomu že přenos síly mezi nápravami je pozvolnější, sníží se nebezpečí dostat se do smyku (obr.16). (6) 29

Obr. 16 Audi RS4 s pohonem quattro (7) 6.2.2 Příčný systém Quattro U tohoto systému pohonu je motor s převodovkou umístěný příčně. Hnací síla motoru je primárně přiváděna na přední nápravu. Zadní náprava se připojí jen podle potřeby. Elektrohydraulická středová spojka s omezenou svorností může přesměrovat až 50 % hnací síly motoru na zadní nápravu. Stejný systém používají výrobci automobilů Volkswagen, Škoda a Seat. (6) Výhoda tohoto systému je, že díky odpojené zadní nápravě dosáhneme nižší spotřeby paliva. Další výhodou systému Haldex-Quattro je ideální rozložení hmotnosti díky poloze centrálního diferenciálu. Nevýhoda je spínání pohonu zadní nápravy až v případě zjištění problému s adhezí. Tento systém je využit ve vozech např. Audi TT nebo Audi A3 (obr. 17). (6) 30

Obr. 17 Audi TT s pohonem Haldex-Quattro(7) 6.3 BMW systém xdrive Automobilka BMW v dnešní době nabízí téměř ke všem svým modelům možnost pohonu všech kol xdrive. Systém je navržen tak, aby k zadní hnané nápravě byla možnost v případě potřeby připojit pohon také přední nápravy. Připojení pomocí elektronicky řízené lamelové spojky, která je umístěná na výstupu z převodovky. Mezinápravová spojka rozděluje točivý moment v poměru 40:60 v prospěch zadní nápravy. Tento poměr se dá neustále měnit na základě jízdní situace tak, aby byla ideálně rozložena hnací síla nejen z pohledu přilnavosti, ale také podle dynamickému chování vozu (obr. 18). (8), (9) Systém xdrive dokáže přenést 100% hnací síly motoru k přední nebo zadní nápravě. Díky propojení se systémem DSC (dynamickou kontrolou stability) jsou minimalizovány zásahy do řízení motoru a brzd. Při uvedení do chodu zůstává lamelová spojka sepnutá, dokud vozidlo nedosáhne rychlosti přibližně 20 km/h, což zajišťuje 31

maximální trakci ve fázi rozjezdu. Od této chvíle systém rozděluje hnací sílu proměnlivě mezi přední a zadní nápravu v závislosti na podmínkách jízdy a povrchu cesty (obr. 19). (8), (9) Hlavní předností pohonu xdrive je efektivita lamelové spojky, která dokáže přepnout mezi svými krajními polohami (rozepnuto/sepnuto) během 100 ms. Systém xdrive zvyšuje bezpečnost v porovnání s běžným pohonem všech kol a to především schopností využít všechny informace a data od systému DSC. (8) Obr. 18 BMW x Drive pohon všech kol (18) Obr. 19 BMW xdrive pohon všech kol (18) 32

6.4 Honda Super Handling All-Wheel-Drive (SH-AWD) Revoluční pohon všech kol představila Honda, nazvaný Super Handling All-Wheel- Drive. Zlepšuje stabilitu vozidla při průjezdu zatáčkou. Rozděluje točivý moment nejen mezi obě hnané nápravy, ale také mezi levé a pravé kolo zadní nápravy v souladu s aktuálními jízdními podmínkami (obr. 20). (11) Obr. 20 rozdělení mezi přední a zadní nápravu(10) Řídící jednotka ECU (Electronic Control Unit) vyhodnotí v závislosti na úhlu natočení kol, bočním zrychlením a chováním vozidla ideální rozdělení točivého momentu mezi jednotlivými koly. Informace jsou předávány do diferenciálu zadní nápravy, kde elektromagnetické spojky neustále regulují rozdělení hnací síly nejen mezi přední a zadní nápravou, ale i rozdělení hnací síly mezi kola zadní nápravy (obr. 21). (11) 33

Příklady regulace rozdělení točivého momentu během jízdních podmínek: I. akcelerace v zatáčce točivý moment je plynule přenášen a měněn až do hodnot 100% na vnější zadní kolo a 0% na vnitřní zadní kolo tím je vytvářen vnitřní zatáčivý moment, který významně zlepšuje ovládání vozu. Zatáčivý moment je torzní moment vztažený na vertikální osu pohybující se skrz těžiště vozidla. (11) II. zpomalování během zatáčení moment z vnitřního kola je volně přenášen a vnitřní zatáčivý moment se mění na vnější a zajišťuje tak stabilitu vozu. (11) III. jízda v přímém směru distribuce točivého momentu mezi přední a zadní nápravu je regulována v závislosti na aktuálních požadavcích jízdy, během maximální akcelerace je omezena distribuce na přední nápravu a naopak během jízdy stabilní rychlostí na zadní. (11) V současnosti tento systém využívá pouze model Honda Legend. Obr. 21 rozdělení mezi pravé a levé kolo (10) 6.5 Subaru Symmetrical AWD Subaru se výrazně odlišuje v tom, že má pohon všech kol uspořádán symetricky a navržen jako jeden celek. Vyznačuje se spojením motoru umístěného před přední nápravou s převodovkou uloženou až za ní. Symetričnost celé soustavy spočívá v tom, 34

že motor, převodovka a diferenciály jsou umístěny v podélné ose vozu, a proto je u každé nápravy použitá stejně dlouhá hnací hřídel (obr. 22). (12) Princip pohonu je, že síla motoru vystupující ze zadní části převodovky, přenáší hřídel zpět k předním kolům. Hřídel je uložena pod převodovkou a samozřejmě v ose vozu. Přední diferenciál je umístěn pod skříní spojky a hlavní převodovky. Točivý moment motoru rozděluje mezi přední a zadní nápravu rozdělovací převodovka, která je umístěná na výstupu z hlavní převodovky. (12) Obr. 22 pohon všech kol Subaru Symmetrical AWD (17) Přednost tohoto uspořádání je ideální rozložení hmotnosti. Symetrické uspořádání pohonu čtyř kol se stejně dlouhými poloosami vznikají minimální vibrace a ve spojení s přirozeně vyváženým plochým motorem s protiběžnými písty je zárukou komfortní jízdy. Subaru využívá několik systémů pohonu všech kol. (12) Subaru s mechanickou převodovkou s přímým řazením, využívá trvalý pohon všech kol s trojicí diferenciálů. Mezinápravový diferenciál rozděluje hnací sílu motoru mezi 35

obě nápravy v poměru 50:50 a je doplněn viskózní spojkou, samočinně regulující jeho svornost. Systém je nezávislý na řidiči, má vynikající přilnavost k vozovce a konstrukční spolehlivost. (12) V případě, že vozidla jsou vybavena samočinnou převodovkou, přenáší točivý moment motoru k zadním kolům pomocí elektronicky řízené lamelové spojky. Řídící jednotka propojená se stabilizačním systémem dodává zadním kolům nejméně 10 % točivého momentu, proto jde o trvalý pohon všech kol. Při rozjezdu spojka zvýší záběr a tím eliminuje prokluz předních kol. Naopak k omezení sevření lamelové spojky dochází při intenzivním brzdění nebo parkování. (12) Technicky nejnáročnější pohon všech kol u Subaru se dodává pro vrcholový model STI. Dochází k použití samosvorných diferenciálů na jednotlivých nápravách. Na zadní nápravě šnekový Torsen, na přední diferenciál se šikmým ozubením. Mezinápravový diferenciál DCCD (Driver Controlled Centre Differential) má nastavitelnou svornost pomocí elektromagnetické lamelové spojky. Nastavení mezinápravového diferenciálu má příznivý vliv na jízdní vlastnosti. Nastavení svornosti diferenciálu je možné v pěti krocích, tak aby byl schopen různým požadavkům. (12) 36

7 ZÁVĚR Účelem této bakalářské práce bylo shrnout nejpoužívanější konstrukce pohonu všech kol u osobních automobilů. Nejprve jsme nahlédli do historie tohoto pohonu. Kdo byl ve vývoji technologie pohonu všech kol v počátcích průkopníkem. Především šlo o rozdělení závislé především na způsobu pohonu nebo přiřazení druhé nápravy. V další části se popisovali jednotlivé technologie, princip činnosti, výhody a nevýhody daných konstrukcí pohonu a jeho zhodnocení. V poslední části byly, stručně pospány jednotlivé druhy pohonu u daných automobilek, které v předchozím přehledu nebyly zcela zahrnuty. Podle jednotlivých pohonů u různých značek se dá odhadnout, jakým směrem se budou koncepce pohonu všech kol do budoucna ubírat. V blízké budoucnosti lze předpokládat, že se vývoj bude ubírat směrem elektronicky řízeného pohonu všech kol. Naznačuje to společnost Lexus se systémem lexus synergy drive. I koncern Volkswagen přechází u některých modelů z centrálního diferenciálu na mezinápravovou spojku. Důvodem je ideálnější rozložení hmotnosti. Samozřejmě každá z uvedených koncepcí má své výhody a nevýhody. Tyto vlastnosti se projeví na podmínkách a typu vozidla, kde se bude provozovat. Ideální řešení pohonu všech kol pomocí mezinápravové lamelové spojky - Haldex. U tohoto systému se ukazují především výhody. Hlavně spolupráce s elektronickými systémy, ideální rozložení hmotnosti a universální použití. 37

SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ 1. VLK. F., Převody motorových vozidel. Brno, F. Vlk, 2006. ISBN 80-239-6463-1. 2. JAN. Z., VÉMOLA. A., ŽDÁNSKÝ. B., Automobily: Podvozek a převodová ústrojí. Brno, CERM, 2003. 266 s. ISBN: 80-7204-262-9 3. JAN. Z., ŽDÁNSKÝ. B., Automobily 2: Převody. Brno, Avid s.r.o. 2004. 129 s. 4. STÝBLO, Slavomír: Automobilový konstruktér: co byste měli vědět o pohonu 4x4. Tipcar.cz [online]. 2007-12-14 [cit. 2012-03-07]. Dostupné z WWW: <http://www.tipcar.cz/automobilovy_konstrukter_co_byste_meli_vedet_o_poh onu_4x4_-3053.html>. 5. ČECH, Jiří: Převodová ústrojí III. Skoda.panda.cz [online]. 2004-7-20 [cit. 2012-04-06]. Dostupné z WWW: <http://skoda.panda.cz/clanek.php3?id=437>. 6. KRIZNIK, Jan: Stálý pohon všech kol (quattro). Audiklub.cz [online]. 2011-10- 31 [cit. 2012-04-12]. Dostupné z WWW: <http://audiklub.cz/techwiki/quattro>. 7. SAJDL, Jan: Qauttro. cs.autolexicon.net. [online]. [cit. 2012-04-15]. Dostupné z WWW: <http://cs.autolexicon.net/articles/quattro/>. 8. DAŇA, Ondřej: Nová generace pohonu xdrive. Famousbmw.cz [online]. 2011-01-11 [cit. 2012-04-15]. Dostupné z WWW: <http://www.famousbmw.cz/novagenerace-pohonu-xdrive/>. 9. Autorevue.cz: Technika: systém BMW pohonu všech kol xdrive. [online]. 2005-06-15 [cit. 2012-02-10]. Dostupné z WWW: <http://www.autorevue.cz/technika-system-bmw-pohonu-vsech-kolxdrive>. 38

10. SAJDL, Jan: SH-AWD (SUPER HANDLING ALL-WHEEL DRIVE). cs.autolexicon.net. [online]. [cit. 2012-04-15]. Dostupné z WWW: <http://cs.autolexicon.net/articles/sh-awd-super-handling-all-wheel-drive/>. 11. YENDA: Super Handling All-Wheel-Drive. hondaklub.cz [online]. 2004-07-28 [cit. 2012-02-10]. Dostupné z WWW: <http://www.hondaclub.cz/default.aspx?a=572>. 12. HANKE, Petr: Subaru Symmetrical AWD Tajemství symetrie. Automobilrevue.cz [online]. 2012-04-06 [cit. 2012-04-16]. Dostupné z WWW: <http://www.automobilrevue.cz/rubriky/technika/subaru-symmetrical-awdtajemstvi-symetrie_40944.html>. 13. HYAN, Tom: FWD = Four Wheel Drive Průkopník. Automobilrevue.cz [online]. 2010-09-22 [cit. 2012-04-16]. Dostupné z WWW: <http://www.automobilrevue.cz/rubriky/novinky/historie/fwd-four-wheel-driveprukopnik_39619.html>. 14. KRIZNIK, Jan: Torsen. Audiklub.cz [online]. 2008-02-20 [cit. 2012-04-12]. Dostupné z WWW: <http://audiklub.cz/techwiki/torsen>. 15. volkswagen.cz [online]. [cit. 2012-04-12]. Dostupné z WWW: http://www.volkswagen.cz/vw2028/pohon_diferencial/ 16. autoparkbrno.cz [online]. [cit. 2012-04-14]. Dostupné z WWW: <http://www.autoparkbrno.cz/p.axd/cs/technick%c3%a9.zaj%c3%admavost i.nissan.html?>. 17. autorevo.cz [online]. [cit. 2012-04-26]. Dostupné z WWW: <http://www.autovero.cz/outback-2010.htm>. 18. autoimportmach.cz [online]. [cit. 2012-04-15]. Dostupné z WWW: <http://www.autoimportmach.cz/bmw-technologie>. 19. KRIZNIK, Jan: Haldex. Audiklub.cz [online]. 2009-03-18 [cit. 2012-04-12]. Dostupné z WWW: <http://audiklub.cz/techwiki/haldex>. 39

20. LÁNÍK, Ondřej: Škoda Superb 4x4: S Haldexem 4. Generace za polárním kruhem. Auto.cz [online]. [cit. 2012-01-27]. Dostupné z WWW: <http://www.auto.cz/skoda-superb-4x4-s-haldexem-4-generace-polarnimkruhem-5598>. 21. NEUSCHL, Tomáš: Rozvodovka a diferenciál. Atmag.sk [online]. [cit. 2012-04-25]. Dostupné z WWW: <http://www.atmag.sk/clanky/encyklopediatuningu/rozvodovka-a-diferencial/>. 40

SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Rozvodovka 12 Obr. 2 kuželový diferenciál 13 Obr. 3 čelní diferenciál 14 Obr. 4 závěr diferenciálu se zubovou spojkou 15 Obr. 5 samosvorný diferenciál s třecí lamelovou spojkou 16 Obr. 6 samosvorný diferenciál Torsen 17 Obr. 7 rozdílné poloměry otáčení jednotlivých kol 21 Obr. 8 Viskózní spojka v rozloženém stavu 21 Obr. 9 Schéma pohonu 4x4 automobilu VW Golf Syncro 22 Obr. 10 Volnoběžka 23 Obr. 11 Viscmatic u vozidla s pohonem 4x4 Alfa Romeo quadrifoglio 24 Obr. 12 mezinápravová spojka Haldex 4. Generace 25 Obr. 13 konstrukce Haldex spojky 26 Obr. 14 rozdělovací převodovka připojená k přímo řazené převodovce 27 Obr. 15 schéma pohonu Nissan All mode 4x4 29 Obr. 16 Audi RS4 s pohonem quattro 30 Obr. 17 Audi TT s pohonem Haldex-Quattro 31 Obr. 18 BMW x Drive pohon všech kol 32 Obr. 19 BMW xdrive pohon všech kol 32 Obr. 20 rozdělení mezi přední a zadní nápravu 33 Obr. 21 rozdělení mezi pravé a levé kolo 34 Obr. 22 pohon všech kol Subaru Symmetrical AWD 35 41