Så fungerar fyrhjulsdrift

Hummers arbetar på fyrhjulsdrift. Se bilder på terräng.

Det finns nästan lika många olika typer av fyrhjulsdrivna system som det finns fyrhjulsdrivna fordon. Det verkar som att varje tillverkare har flera olika system för att tillhandahålla ström till alla hjul. Språket som används av de olika biltillverkarna kan ibland vara lite förvirrande, så innan vi börjar förklara hur de fungerar, låt oss rensa lite terminologi:

• Fyrhjulsdrift - Vanligtvis när biltillverkare säger att en bil har det fyrhjulsdrift, de hänvisar till a deltid systemet. Av skäl som vi kommer att utforska senare i den här artikeln är dessa system endast avsedda för användning i låga dragkraftsförhållanden, till exempel terräng eller på snö eller is.
• Fyrhjulsdrift - Dessa system kallas ibland heltid fyrhjulsdrift. Fyrhjulsdrivna system är konstruerade för att fungera på alla typer av ytor, både på och utanför väg, och de flesta av dem kan inte stängas av.

Deltid och heltids fyrhjulsdrivna system kan utvärderas med samma kriterier. Det bästa systemet skickar exakt rätt mängd vridmoment till varje hjul, vilket är det maximala vridmomentet som inte får det däcket att glida.

I den här artikeln kommer vi att förklara grundläggande för fyrhjulsdrift, med början med lite bakgrund på dragkraft, och titta på komponenterna som utgör ett fyrhjulsdrift. Sedan tittar vi på ett par olika system, inklusive det som finns på Hummer, tillverkat för GM av AM General.

Vi måste veta lite om vridmoment, dragning och hjulglidning innan vi kan förstå de olika fyrhjulsdrivna systemen som finns på bilar.

Moment är den vridkraft som motorn producerar. Momentet från motorn är det som rör din bil. De olika växlarna i växellådan och differentialen multiplicerar vridmomentet och delar upp det mellan hjulen. Mer vridmoment kan skickas till hjulen i första växeln än i femte växeln eftersom första växeln har ett större växelläge för att multiplicera vridmomentet.

Stapeldiagrammet nedan visar hur mycket vridmoment som motorn producerar. Märket på diagrammet indikerar hur mycket vridmoment som orsakar rullning. Bilen som gör en bra start överskrider aldrig detta vridmoment, så däcken glider inte; bilen som gör en dålig start överskrider detta vridmoment, så däcken glider. Så snart de börjar glida sjunker vridmomentet till nästan noll.

Detta innehåll är inte kompatibelt på den här enheten.

Det intressanta med vridmoment är att i låga dragkraftsituationer bestäms den maximala mängden vridmoment som kan skapas av dragmängden, inte av motorn. Även om du har en NASCAR-motor i din bil, är det helt enkelt inget sätt att utnyttja den kraften om däcken inte fastnar i marken.

För den här artikelns skull definierar vi dragning eftersom den maximala mängden kraft däcket kan applicera mot marken (eller att marken kan applicera mot däcket - de är samma sak). Dessa är de faktorer som påverkar dragkraften:

Vikten på däcket -- Ju mer vikt på ett däck, desto mer dragkraft har det. Vikt kan förändras när en bil kör. Till exempel, när en bil svänger, flyttas vikten till ytterhjulen. När den accelererar växlar vikten till bakhjulen. (Se Hur bromsar fungerar för mer information.)

Friktionskoefficienten -- Denna faktor hänför sig till mängden friktionskraft mellan två ytor och kraften som håller de två ytorna samman. I vårt fall avser det dragkraften mellan däcken och vägen till vikten som ligger på varje däck. Friktionskoefficienten är mestadels en funktion av typen av däck på fordonet och vilken typ av yta fordonet kör på. Till exempel har ett NASCAR-däck en mycket hög friktionskoefficient när det kör på en torr, betongbana. Det är en av orsakerna till att NASCAR racerbilar kan höra i så hög hastighet. Friktionskoefficienten för samma däck i lera skulle vara nästan noll. Däremot skulle stora, knobbiga terrängdäck inte ha en så hög friktionskoefficient på ett torrt spår, men i leran är deras friktionskoefficient extremt hög.

Hjulglid -- Det finns två typer av kontakt som däck kan göra med vägen: statisk och dynamisk.

• statisk kontakt -- Däcket och vägen (eller marken) glider inte i förhållande till varandra. Friktionskoefficienten för statisk kontakt är högre än för dynamisk kontakt, så statisk kontakt ger bättre dragkraft.
• dynamisk kontakt -- Däcket glider i förhållande till vägen. Friktionskoefficienten för dynamisk kontakt är lägre, så du har mindre dragkraft.

Helt enkelt uppstår hjulledning när kraften som appliceras på ett däck överskrider den dragkraft som finns för det däcket. Kraft appliceras på däcket på två sätt:

• Längs -- Längdkraften kommer från det vridmoment som appliceras på däcket av motorn eller av bromsarna. Det tenderar att antingen accelerera eller bromsa bilen.
• I sidled -- Sidokraft skapas när bilen kör runt en kurva. Det tar kraft för att få en bil att ändra riktning - i slutändan ger däcken och marken sidokraft.

Låt oss säga att du har en ganska kraftfull bakhjulsdriven bil och att du kör runt en kurva på en våt väg. Däcken har massor av dragkraft för att tillämpa den sidokraft som krävs för att hålla din bil på vägen när den går runt kurvan. Låt oss säga att du golv gaspedalen mitt i svängen (gör inte det här!) - Din motor skickar mycket mer vridmoment till hjulen och ger en stor mängd längdkraft. Om du lägger till längdkraften (producerad av motorn) och den sidokraft som skapas i svängen, och summan överstiger den tillgängliga dragkraften, skapade du bara hjulskyddet.

De flesta människor kommer inte ens nära att överskrida den tillgängliga dragkraften på torr trottoar, eller ens på platt, vått trottoar. Fyrhjuls- och fyrhjulsdrivna system är mest användbara i situationer med låg dragkraft, till exempel i snö och på hala kullar.

Fördelen med fyrhjulsdrift är lätt att förstå: Om du kör fyra hjul istället för två, har du potential att fördubbla mängden längdkraft (kraften som får dig att gå) som däcken applicerar på marken.

Detta kan hjälpa till i olika situationer. Till exempel:

• I snö -- Det kräver mycket kraft att driva en bil genom snön. Mängden tillgänglig kraft begränsas av den tillgängliga dragkraften. De flesta tvåhjulsdrivna bilar kan inte röra sig om det finns mer än några tum snö på vägen, eftersom i däcken har varje däck bara en liten mängd dragkraft. En fyrhjulsdriven bil kan använda dragkraften för alla fyra däck.
• Av vägen -- Under terrängförhållanden är det ganska vanligt att minst en uppsättning däck befinner sig i en lågspårningssituation, till exempel när du korsar en bäck eller lera pöl. Med fyrhjulsdrift har den andra uppsättningen däck fortfarande dragkraft, så att de kan dra dig ut.
• Klättra hala kullar -- Denna uppgift kräver mycket dragkraft. En fyrhjulsdriven bil kan använda dragkraften för alla fyra däck för att dra bilen uppför backen.

Det finns också vissa situationer där fyrhjulsdrift inte ger någon fördel jämfört med tvåhjulsdrift. Det mest anmärkningsvärda är att fyrhjulsdrivna system inte hjälper dig att stoppa på hala ytor. Det är allt upp till bromsarna och det låsbara bromssystemet (ABS).

Låt oss nu titta på de delar som utgör ett fyrhjulsdrift.

Den vanligaste typen av skillnad - den öppna skillnaden

Huvuddelen av alla fyrhjulsdrivna system är de två skillnaderna (fram och bak) och överföringslådan. Dessutom har deltidssystem låsnav, och båda typerna av system kan ha avancerad elektronik som hjälper dem att utnyttja den tillgängliga dragkraften ännu bättre.

differentialer En bil har två skillnader, en ligger mellan de två framhjulen och en mellan de två bakhjulen. De skickar vridmomentet från drivaxeln eller växellådan till drivhjulen. De tillåter också vänster- och högerhjulen att snurra i olika hastigheter när du går runt en sväng.

När du går runt en sväng följer de inre hjulen en annan väg än ytterhjulen, och framhjulen följer en annan väg än bakhjulen, så var och en av hjulen snurrar med en annan hastighet. Skillnaderna möjliggör hastighetsskillnaden mellan insidan och ytterhjulen. (I fyrhjulsdrift hanteras hastighetsskillnaden mellan fram- och bakhjulen av överföringsfallet - vi diskuterar det här nästa.)

Det finns flera olika typer av skillnader som används i bilar och lastbilar. De olika skillnaderna som används kan ha en betydande inverkan på hur väl fordonet använder tillgänglig dragkraft. Se hur skillnader fungerar för mer information.

Ett typiskt fyrahjulsdriftöverföringsfall på deltid: Planetreduktionsreduktionen kan aktiveras för att tillhandahålla lågväxelväxeln.

Överföringsfall

Detta är den enhet som delar kraften mellan fram- och bakaxlarna på en fyrhjulsdriven bil.

Tillbaka till vårt hörnvridande exempel: Medan skillnaderna hanterar hastighetsskillnaden mellan inre och yttre hjul, innehåller överföringsväskan i ett fyrhjulsdrivningssystem en enhet som möjliggör en hastighetsskillnad mellan fram- och bakhjulen. Detta kan vara en viskös koppling, mittdifferens eller annan typ av växel. Dessa enheter tillåter ett fyrhjulsdrivningssystem att fungera korrekt på alla ytor.

De överföringsfall på en deltid fyrhjulsdrivningssystem låser framaxelns drivaxel till bakaxelns drivaxel, så hjulen tvingas att snurra med samma hastighet. Detta kräver att däcken glider när bilen går runt. Deltidssystem som detta bör endast användas i situationer med låg dragkraft där det är relativt lätt för däcken att glida. På torr betong är det inte lätt för däcken att glida, så fyrhjulsdrift bör kopplas bort för att undvika ryckiga svängar och extra slitage på däcken och drivhjulet.

Vissa överföringsfall, oftare sådana i deltidssystem, innehåller också en extra uppsättning växlar som ger fordonet en kort räckvidd. Detta extra växelläge ger fordonet extra vridmoment och en extremt långsam utgångshastighet. I första växeln i lågt område kan fordonet ha en topphastighet på cirka 8 km / h, men otroligt vridmoment produceras vid hjulen. Detta gör att förarna långsamt och smidigt kan krypa upp mycket branta kullar.

Låsa nav

Varje hjul i en bil är bultat till ett nav. Deltid fyrhjulsdrivna lastbilar har vanligtvis låsnav på framhjulen. När fyrhjulsdrift inte är inkopplad används låshubben för att koppla bort framhjulen från frontdifferentialen, halvaxlarna (axlarna som ansluter skillnaden till navet) och drivaxeln. Detta gör att differentieringen, halvaxlarna och drivaxeln kan sluta snurra när bilen är i tvåhjulsdrift, vilket sparar slitage på dessa delar och förbättrar bränsleekonomin.

Manuell låsnav var tidigare ganska vanligt. För att koppla in fyrhjulsdrift måste föraren faktiskt komma ut ur lastbilen och vrida en ratt på framhjulen tills naven låstes. Nyare system har automatiska låsnav som kopplas in när föraren växlar till fyrhjulsdrift. Denna typ av system kan vanligtvis kopplas in medan fordonet rör sig.

Oavsett om det är manuellt eller automatiskt, dessa system använder vanligtvis en glidande krage som låser de främre halvaxlarna till navet.

Avancerad elektronik

På många moderna fyrhjulsfordon och fyrhjulsdrivna fordon spelar avancerad elektronik en nyckelroll. Vissa bilar använder ABS-systemet för att selektivt applicera bromsarna på hjul som börjar glida - det kallas bromskraftreglering.

Andra har sofistikerade, elektroniskt styrda kopplingar som bättre kan styra vridmomentöverföringen mellan hjul. Vi tittar på ett sådant avancerat system senare i artikeln.

Låt oss först se hur det mest grundläggande fyrhjulsdrivna deltidssystemet fungerar.

Diagram över grundläggande system

Den typ av deltidsystem som vanligtvis finns på fyrhjulsdrivna pickuper och äldre SUV: er fungerar så här: Fordonet är vanligtvis bakhjulsdrift. Transmissionen ansluts direkt till ett överföringsfall. Därifrån vrider en drivaxel framaxeln och en annan vrider bakaxeln.

När fyrhjulsdrift är aktiverad låser överföringshöljet den främre drivaxeln till den bakre drivaxeln, så att varje axel får hälften av vridmomentet som kommer från motorn. Samtidigt låses de främre naven.

Fram- och bakaxlarna har var och en öppen skillnad. Även om detta system ger mycket bättre dragkraft än ett tvåhjuligt fordon, har det två huvudsakliga nackdelar. Vi har redan diskuterat en av dem: Det kan inte användas på vägen på grund av det låsta överföringsfallet.

Det andra problemet kommer från den typ av skillnader som används: En öppen differens delar vridmomentet jämnt mellan vart och ett av de två hjulen som det är anslutet till (se Hur skillnader fungerar för mer information). Om ett av de två hjulen kommer från marken, eller är på en mycket hal yta, sjunker vridmomentet på det hjulet till noll. Eftersom vridmomentet är jämnt delat betyder det att det andra hjulet också får nollmoment. Så även om det andra hjulet har gott om dragkraft överförs inget vridmoment till det. Animeringen nedan visar hur ett system som detta reagerar under olika förhållanden.

Detta innehåll är inte kompatibelt på den här enheten.

Animering av ett grundläggande system som möter olika kombinationer av terräng. Detta fordon fastnar när två av dess hjul ligger på isen.

Tidigare sade vi att det bästa fyrhjulsdrivningssystemet kommer att skicka exakt rätt mängd vridmoment till varje hjul, och rätt mängd är det maximala vridmomentet som inte får det däcket att glida. Detta system värderar ganska dåligt utifrån det kriteriet. Den skickar till båda hjulen mängden vridmoment som inte orsakar däcket med minst dragkraft att glida.

Det finns några sätt att förbättra ett system som detta. Att ersätta den öppna differentieringen med en bakre differensial med begränsad glid är en av de vanligaste - detta säkerställer att båda bakhjulen kan applicera viss vridmoment oavsett vad. Ett annat alternativ är en låsdifferensial, som låser bakhjulen ihop för att säkerställa att var och en har åtkomst till allt vridmoment som kommer in i axeln, även om ett hjul är från marken - detta förbättrar prestanda under terrängförhållanden.

I nästa avsnitt tar vi en titt på vad som kan vara det ultimata fyrhjulsdrivna systemet: det på Hummer.

AM General Hummer militära fordon kombinerar en del avancerad mekanisk teknik med sofistikerad elektronik för att skapa det som utan tvekan är det bästa tillgängliga fyrhjulsdrivna systemet.

Hummer har ett heltidssystem med ytterligare funktioner som kan användas för förbättrad terrängprestanda. I detta system, precis som i vårt grundläggande system, är överföringen ansluten till överföringsfallet. Från överföringsfallet ansluts en drivaxel till framaxeln och en till bakaxeln. Men överföringsfallet på Hummer låser inte automatiskt fram- och bakaxlarna. Istället innehåller den en uppsättning öppna kugghjul som kan låsas av föraren. I öppet läge (inte låst) kan fram- och bakaxlarna röra sig med olika hastigheter, så att fordonet kan köra på torra vägar utan problem. När differentialen är låst har fram- och bakaxlarna åtkomst till motorns vridmoment. Om framhjulen är i kvicksand får bakhjulen allt vridmoment de kan hantera.

Diagram över Hummer-systemet, ett häftigt inslag i Hummer är de växelnav som den använder vid varje hjul. Dessa höjer hela drivlinan och ger Hummer 40,64 cm markfrigång, mer än dubbelt så mycket som de flesta fyrhjulsdriftar har.

De främre och bakre skillnaderna är båda Torsen^® differentialer. Dessa skillnader har en unik växellåda: Så snart den känner av en minskning av vridmomentet till ett hjul (vilket inträffar när ett däck håller på att glida) överför växellåset vridmoment till det andra hjulet. Torsens differentiella kan överföra från två till fyra gånger vridmomentet från det ena till det andra. Detta är en stor förbättring jämfört med öppna skillnader. Men om det ena hjulet är från marken får det andra hjulet fortfarande inget vridmoment.

För att hantera detta problem är Hummer utrustad med en styrsystem för bromsdrift. När ett däck börjar glida tillämpar bromsens styrning bromsarna på det hjulet. Detta åstadkommer två saker:

• Det förhindrar att däcket glider och gör det möjligt att utnyttja dess tillgängliga dragkraft maximalt.
• Det gör att det andra hjulet kan applicera mer vridmoment.

Detta innehåll är inte kompatibelt på den här enheten.

Hummer-systemet möter olika terrängkombinationer: För att Hummer fastnar skulle alla fyra hjulen tappa dragkraften.

Styrbromssystemet för bromsverkan tillämpar ett betydande vridmoment på hjulet som vill glida, vilket gör att Torsen-differensen kan applicera två till fyra gånger så högre vridmoment på det andra hjulet.

Låt oss testa Hummer.

Systemet på Hummer kan skicka en stor mängd vridmoment till vilket däck som har dragkraft, även om det innebär att skicka allt till ett enda däck. Detta ger Hummer ganska nära vår definition av ett idealiskt fyrhjulsdrift: ett som ger varje däck den maximala mängden vridmoment som den kan hantera.

För mer information om fyrhjulsdrift och relaterade ämnen, kolla in länkarna på nästa sida.

relaterade artiklar

• Bilupphängning-frågesport
• Hur skillnader fungerar
• Hur Anti-Lock Bromsar fungerar
• Hur luftkuddar fungerar
• Hur däck fungerar
• Hur kraft, kraft, moment och energi fungerar
• Hur bilstyrning fungerar
• Hur gaspriser fungerar
• Hur bränslemätare fungerar
• Hur hästkrafter fungerar
• Vad betyder det att kalla en pickup lastbil en "halv ton lastbil"?

Fler bra länkar

• Introduktion till alla hjulsdrivningssystem
• 4x4NOW: 4-Wheeling "How-To"
• Smart bilist: fyrhjulsdrift, fyrhjulsdrift, dragkraft
• Fråga Yahoo !: Vad är skillnaden mellan "fyrhjulsdrift" och "fyrhjulsdrift"?
• The Car Guy: fyrhjulet, framhjulet, fyrhjulsdrift - va?