Sprzęgła międzyosiowe, czyli prosty sposób na skuteczne 4x4

Koła samochodu podczas jazdy w zakrętach pokonują różny dystans i mają różne prędkości obrotowe. Gdyby każde z nich obracało się niezależnie, różnice w prędkościach obrotowych nie miały by żadnego znaczenia. Ale koła są ze sobą sprzężone ze sobą w rozmaity sposób i potrzebne są mechanizmy, które zniwelują różnice w ich prędkościach. Przy napędzie jednej osi stosuje się jeden mechanizm różnicowy. Gdy w grę wchodzi napęd 4x4 potrzebne są dwa mechanizmy różnicowe (na każdej osi), a dodatkowo również centralny mechanizm różnicowy, niwelujący różnice obrotowe między osiami.

Co prawda niektóre samochody z napędem obu osi obywają się bez centralnego mechanizmu różnicowego (np. pickupy czy prostsze terenówki jak Suzuki Jimny), ale wiąże się to z pewnymi ograniczeniami. W takim przypadku napęd 4x4 może być włączany tylko na luźnych nawierzchniach bądź drogach kompletnie pokrytych śniegiem lub lodem. W nowoczesnych rozwiązaniach centralny mechanizm różnicowy jest „obowiązkowy”, a jego rolę pełnią w wielu przypadkach sprzęgła wielopłytkowe. Są popularne, bo w stosunkowo prosty i tani sposób pozwalają szybko dołączać napęd drugiej osi (w wersjach z systemami aktywacji) oraz sterować rozdziałem napędu, mniej lub bardziej precyzyjnie, w zależności od konstrukcji.

Sprzęgło wiskotyczne

To najprostszy i najtańszy rodzaj sprzęgła wielopłytkowego, nie ma bowiem ono żadnych elementów aktywujących czy sterujących. Płytki sprzęgłowe, będące elementami ciernymi, zamocowane są naprzemiennie na wale wejściowym i wyjściowym i mogą przesuwać się poosiowo. Jeden zestaw tarcz obraca się wraz z wałem wejściowym (napędowym), bowiem jest z nim zespolony swoim wewnętrznym obwodem poprzez wypusty dopasowane do wielowpustów wału. Drugi zestaw płytek ciernych osadzony jest na wale wyjściowym, który ma w tym miejscu kształt dużego „kielicha” z wycięciami na wypusty tarcz sprzęgłowych, znajdujące się na ich zewnętrznym obwodzie. Zestaw tarcz ciernych zamknięty jest w obudowie. W taki sposób zbudowane jest każde sprzęgło wielopłytkowe, różnice tkwią w systemach aktywacji i sterowania sprzęgłem, czyli w tym, jak dociskane i jak luzowane są tarcze sprzęgła. W przypadku sprzęgła wiskotycznego obudowa wypełniona jest specjalnym olejem silikonowym, zwiększającym swą gęstość w przypadku wzrostu temperatury. Oba wały, wraz z osadzonymi na nich tarczami sprzęgła, a także połączone z nimi osie samochodu, mogą się obracać niezależnie od siebie. Gdy samochód jedzie w normalnych warunkach, bez poślizgu, oba wały obracają się z tą samą prędkością i nic się nie dzieje. Zachodzi sytuacja, jakby oba wały stały względem siebie, a olej zachowuje cały czas tę samą lepkość.

Jeśli jednak wał napędowy, prowadzony od osi napędzanej, zaczyna obracać się szybciej wskutek poślizgu, w sprzęgle wzrasta temperatura i olej gęstnieje. Efektem tego jest „zlepienie” tarcz sprzęgła, sprzężenie obu osi i przekazanie napędu na koła nie napędzane w normalnych warunkach. W sprzęgle wiskotycznym nie jest potrzebny żaden układ aktywujący, bowiem połączenie tarcz sprzęgła następuje w sposób automatyczny. Dzieje się to jednak ze sporym opóźnieniem, co stanowi największą wadę tego rodzaju sprzęgła. Kolejnym jego słabym punktem jest przenoszenie jedynie części momentu obrotowego. Olej w sprzęgle nawet gdy zgęstnieje wciąż pozostaje cieczą i między tarczami zawsze występuje poślizg.

Zobacz także: Hyundai i30 w naszym teście

Polecamy: Nowe Volvo XC60

Sprzęgło hydrauliczne

Przykładem wielopłytkowego sprzęgła hydraulicznego jest sprzęgło typu Haldex w swoim pierwszym wydaniu, stosowanego głównie w samochodach grupy Volkswagena oraz w Volvo. Różnica prędkości między wałem wejściowym a wałem wyjściowym prowadzi do zwiększenia ciśnienia oleju w sekcji hydraulicznej sprzęgła. Wzrost ciśnienia wymusza ruch tłoka, który poprzez specjalną tarczę dociskową ściska tarcze sprzęgła. Jak duży moment obrotowy zostanie przekazany na wał wyjściowy zależy od ciśnienia oleju. Docisk płytek sprzęgła jest regulowany elektronicznym sterownikiem i zaworami ciśnieniowymi. W skład układu sterowania wchodzi bardzo wiele elementów: czujnik sprzęgła, czujnik temperatury sprzęgła, silnik nastawczy sprzęgła, sterownik silnika, sterownik systemów ABS i ESP, czujnik prędkości obrotowej silnika, czujnik prędkości obrotowej kół, czujnik położenia pedału „gazu”, czujnik przyśpieszenia wzdłużnego, czujnik świateł „stop”, czujnik hamulca pomocniczego, dodatkowa pompa oleju i czujnik automatycznej skrzyni biegów w przypadku wersji z „automatem”. 

Sprzęgło elektrohydrauliczne

W tym rodzaju sprzęgła do uzyskania ciśnienia oleju, niezbędnego do ściskania tarcz sprzęgła, nie jest konieczna różnica prędkości między wałem wejściowym i wyjściowym. Ciśnienie generowane jest bowiem przez elektryczną pompę oleju, co bardzo upraszcza cały system hydrauliczny. Określony moment obrotowy przenoszony na wał wyjściowy realizowany jest przez zawór regulacyjny stopnia otwarcia sprzęgła, kontrolowany przez sterownik sprzęgła. Elektryczna pompa oleju zwiększa szybkość działania sprzęgła, bowiem niemal natychmiast może wygenerować odpowiednio duże ciśnienie oleju. System sterowania oparty jest na równie dużej liczbie elementów jak w sprzęgłach hydraulicznych. Taka konstrukcja sprzęgła międzyosiowego znajduje się główne w samochodach grupy Volkswagena, Fordach i Volvo.

[page_break]

Sprzęgło elektromagnetyczne

Takie sprzęgło stosują głównie producenci z Dalekiego Wschodu, ale można je znaleźć również w autach marki Jeep, Renault, Dacia, Citroen i Peugeot. Nie ma w nim żadnej hydrauliki a dociskanie tarcz sprzęgła powierzono elektromagnesowi. Siła docisku sterowana jest elektronicznie na podstawie danych z wielu podzespołów samochodu. Do sprzęgła docierają odpowiednio dobierane impulsy prądowe, decydujące o stopniu sprzężenia płytek sprzęgła. Im są rzadsze tym moment obrotowy przenoszony na wał wyjściowy jest mniejszy (gdy impulsów nie ma moment obrotowy w ogóle nie jest przenoszony i samochód ma napęd tylko jednej osi). Jeśli ich liczba zaczyna wzrastać sprzęgło zaczyna coraz mocniej się „zaciskać”. Możliwe jest uzyskanie pełnego sprzężenia wału wejściowego i wyjściowego (przeniesienie 100 % momentu obrotowego). Zaletami sprzęgieł elektromagnetycznych jest prostota konstrukcji i niewielkie rozmiary. Są jednak mniej odporne na wysokie obciążenia.

Sprzęgło elektromechaniczne

W prostocie tkwi siła – co udowadnia sprzęgło międzyosiowe w samochodach BMW. System jest niezwykle prostu od strony mechanicznej i nie ma żadnej hydrauliki. Za dociskanie i luzowanie płytek sprzęgła odpowiedzialny jest silnik elektryczny, który obracając się powoduje również obrót specjalnie ukształtowanego wieńca. Wieniec współpracuje z dźwigniami, które wykonują ruchy poosiowe na wale z osadzonym sprzęgłem wielopłytkowym. Dźwignie rozsuwają i sprzęgają płytki. Sterowaniem silnikiem elektrycznym zajmuje się oczywiście elektronika, wykorzystująca szereg danych z innych podzespołów samochodu, przede wszystkim z podwoziowych systemów elektronicznych. Układ jest prosty i szybki, działa niemal natychmiastowo.  

Sprzęgła międzyosiowe w napędach 4x4 są z reguły mało awaryjne i trwałe. Zestaw tarcz a także sekcje hydrauliczne wytrzymują bez problemu przebiegi rzędu 200 tys. km. Jeśli pojawiają się niedomagania to raczej ze strony elektroniki sterującej albo zaworów sterujących. Zdarzają się też inne wpadki - przykładem jest zębatka sterująca w napędzie BMW xDrive. Została wykonana z nietrwałego tworzywa. Zwykle awarie osprzętu napędu 4x4 są łatwe do naprawy i stosunkowo tanie. Znacznie głębiej trzeba sięgnąć do portfela, gdy posłuszeństwa odmówi na przykład elektryczna pompa oleju przy sprzęgle elektrohydraulicznym. Nieoryginalna kosztuje ok. 1300 zł z kompletem niezbędnych drobiazgów, oryginalna kilka tysięcy. Wymiana jednej z najpopularniejszych pomp, czyli elektrohydraulicznej w autoryzowanej stacji obsługi może kosztować nawet 15 tys. zł.