Odkrywamy 4×4

Nissan Terrano, którego zawieszenie bardzo dobrze sprawuje sie w terenie

fot. Nissan

W pojazdach terenowych znacznie większe znaczenie ma precyzowanie stawianych przez nimi zadań. Istnieje bowiem szeroka gama rozwiązań konstrukcyjnych, a zespoły projektanckie i producenci starają się zaspokoić wymagania klientów proponując szeroki zakres typów pojazdów od „wołów roboczych” po luksusowe limuzyny 4×4. Wszystko zależy od odpowiedniej konfiguracji dobranych komponentów. Za te główne mające największy wpływ należy uznać: silnik, skrzynię biegów, zawieszenie, oraz ogumienie.

Niektórzy uważają, że w samochodzie terenowym najważniejszy jest mocny silnik. Właściwie im mocniejszy tym lepiej. W rzeczywistości tak nie jest. Owszem silnik jest sercem pojazdu terenowego jak i każdego innego. Lecz niezależnie jak wielką moc będzie on rozwijał, maksymalna siła napędowa, która będzie popychać samochód do przody nie może być większa niż iloczyn nacisku na koła i współczynnika przyczepności. Reszta mocy ulotni się w postaci dymku z naszych opon lub ułatwi zakopanie się pojazdu. Dlatego moc silnika samochodu terenowego powinna być tak dobrana, aby mógł on poruszać się z założoną prędkością maksymalną (np.140 km/h) po dobrych drogach, przebiegających po terenie płaskim, na których mogą występować pochylenia rzędu 1%¸2%. Jak również moc jednostkowa przypadająca na 1 tonę masy pojazdu powinna być na odpowiednim poziomie, wśród samochodów terenowych, odznaczających się dużymi zdolnościami pokonywania terenu wskaźnik ten wynosi od 40 do 50KM/t.

Silniki wysokoprężne zdobyły duża popularność w segmencie 4×4

]

fot. Chrysler

Obserwując stosowane silniki w najpopularniejszych markach samochodów terenowych można zaobserwować, że producenci oferują kilka odmian silników, zarówno benzynowych jak i Diesla. W zasadzie oba rodzaje można by potraktować jednakowo ponieważ:

-kultura pracy nowoczesnych Diesli jest bardzo dobra;

-zużycie paliwa w samochodach terenowych odgrywa role drugoplanową ponieważ na trasach terenowych i tak zużycie drastycznie rośnie;

-kłopoty z rozruchem także odpadają ponieważ ten kto liczy się z eksploatacja  w warunkach ostrej zimy, zakupi auto wyposażone w podgrzewacz rozruchowy.

Czyli nie było by różnicy gdyby nie jedna istotna sprawa. Przebieg momentu obrotowego, w przypadku Diesli krzywa momentu  ma bardziej płaski przebieg to znaczy że już przy niższych obrotach mamy do dyspozycji moment bliski maksymalnemu. Aby osiągnąć adekwatne jak dla Diesla wartości momentów obrotowych przy zastosowaniu benzyniaka, musi mieć on znacznie większą pojemność. A większy silnik to większe jego rozmiary i masa.  Dlatego Diesle znalazły uznanie wśród samochodów uważanych za „woły robocze”. Natomiast benzyniaki wśród terenowych limuzyn gdzie nie trzeba się liczyć z rozmiarem, a gdzie mniej istotne są walory terenowe, a bardziej liczy się prędkość maksymalna i przyspieszenia. Należy tez dodać, że Diesle lepiej współpracują z turbosprężarką (gdyż silnik wytwarza więcej spalin i mają one niższą temperaturę niż w silnikach benzynowych).

Obecnie bardziej rygorystyczne normy czystości spalin powodują, szukanie rozwiązań, które pozwolą na ich spełnienie oraz jednoczesne zwiększenie mocy silnika, zredukowanie jego masy i gabarytów. A takim właśnie sposobem jest stosowanie doładowania powietrza poprzez turbosprężarkę. Ilość powietrza w komorze spalania jest zwiększana także poprzez stosowanie chłodzenia powietrza doładowanego, poprawia to stopień napełnienia cylindrów. Innym sposobem poprawienia efektywności spalania ładunku w komorze spalania jest zmiana układu zasilania. Obecnie do najefektywniejszych zaliczane są układy zasilające z wtryskiem bezpośrednim, systemu zasilania common rail, pompowtryskiwaczy. Silnik pojazdu terenowego poddawany znacznym obciążeniom, pracuje w dużym reżimie cieplnym, w związku z tym pożądane jest stosowanie dodatkowego chłodzenia w postaci chłodnic oleju.

Na tym etapie kompletowania „naszego”, odpowiedniego dla nas 4×4, można podsumować:

-nie moc silnika jest najważniejsza, lecz raczej jego odpowiednie skomponowanie z układem przeniesienia napędu i pozostałymi gabarytami pojazdu, wielka moc jest ważna w drgasterach lecz nie o nich tu mówimy;

-silniki wysokoprężne z mniejszych pojemności uzyskują podobne wartości momentu maksymalnego jak -silniki benzynowe o dużej pojemności, dlatego te pierwsze mają większe zastosowanie w typowych autach na bezdroża, a te drugie w limuzynach i funny car,

jako że wyjątek potwierdza regułę, należy wspomnieć że król bezdroży PRL popularny „gazik” miał silnik benzynowy, ale za to przy swoim stopniu sprężania palił wszystko co było benzyno podobne, natomiast współczesny amerykański król Hummer nie ma silnika Diesla tylko wielką benzynową widlasta ósemkę.

Moment napędowy gdy już jest  „wyprodukowany” przez silnik trafia za pośrednictwem sprzęgła do skrzyni biegów. To od jej rozpiętości przełożeń, będzie zależeć prędkość maksymalna i siła napędowa na kołach, a w efekcie zdolność pokonywania wzniesień, przyspieszenia. Warto także już na wstępie podzielić się spostrzeżeniem, że pod naszą szerokością geograficzną, potępiane są automatyczne skrzynie biegów, gdyż nie pozwalają „poczuć prawdziwej” jazdy. Jednak „prawdziwa jazda” jest obarczona ryzykiem uszkodzenia pojazdu, ładunku lub załogi. A właśnie automatyczna alternatywa pozwala na obserwacja terenu, nie troszcząc się o właściwie dobrany bieg, spóźnione redukcje, niezsynchronizowane wciśnięcia sprzęgła przy zmianie biegów, zbyt niski moment obrotowy silnika przy ruszeniu z miejsca. Unikamy w ten sposób: nadmiernego zużycia paliwa, przyspieszonego zużycia mechanizmów przeniesienia napędu, niebezpieczeństwa utraty płynności ruchu. Dzięki temu nasz zespół napędowy będzie mógł nam dłużej służyć, a może i my dłużej pojeździmy cali i zdrowi.

Niezależnie od zastosowanej przekładni istotna jest rozpiętość przełożeń

fot. Chrysler

Najczęściej automatyczna skrzynia biegów składa się z  przekładni hydrokinetycznej i współpracującej z nią przekładni mechanicznej. Dzięki takiemu połączeniu nie traci się zalet przekładni hydrokinetycznej w postaci elastyczności przenoszenia momentu obrotowego oraz samoczynnej zmiany przełożeń pod wpływem obciążenia, zyskuje się natomiast większe przełożenie dynamiczne w skrzyni biegów oraz korzystniejszy przebieg sprawności. Reasumując otrzymujemy do dyspozycji wysoki moment obrotowy w najbardziej krytycznych sytuacjach: przy ruszaniu z miejsca i przy potrzebie nagłego rozpędzenia pojazdu. Ta zaleta pozwoliła w niektórych rozwiązaniach uniknąć zastosowania dodatkowej przekładni (rozdzielczej), po prostu sięganie po tzw przełożenia terenowe nie było już potrzebne. Skrzynie automatyczne mają dość skomplikowane układy sterowania, często rozbudowane o funkcje diagnozowania skrzyń. To również jest dodatkową zaletą, gdy możemy na różne sposoby monitorować co dzieje się z naszym pojazdem.  Za ta wspaniałą wizją auta z automatyczną przekładnią, kryje się odrobina goryczy, takie rozwiązanie podraża koszt samochodu. Dlatego za wyjątkiem tych „z górnej półki”, większość aut terenowych dysponuje manualna pięciobiegową przekładnią. Takie rozwiązanie wystarcza aby zapewnić odpowiedni moment napędowy. Skrzynie mechaniczne reprezentowane są najczęściej przez przekładnie  zębate o stałych osiach.

Problem pojawia się wówczas gdy należy zjechać z asfaltówki lub dobrej drogi gruntowej w teren. Rozpiętość przełożeń okazuje się niewystarczająca. Brakuje odpowiedniej siły napędowej, gdyż wzrastają opory ruchu (już samo włączenie lub przekazanie większej części napędu na druga oś powoduje większe zapotrzebowanie na moc.  Wówczas pomocna staje się skrzynia rozdzielcza. Zadaniem skrzyni rozdzielczej jest rozdział momentu obrotowego silnika na wszystkie mosty napędowe samochodu. Skrzynki rozdzielcze dodatkowo zwielokrotniają ilość i zakres przełożeń skrzyni biegów.

Land Rover Freelander

fot. Land Rover

Land Rover Defender

fot. Land Rover

Występują one jako odrębny zespół lub są zintegrowane ze skrzynią biegów. Występują skrzynki 1- i wielobiegowe (najczęściej Dla uproszczenia konstrukcji stosuje się często skrzynie rozdzielcze bez mechanizmów różnicowych. W celu uniknięcia mocy krążących stosuje się odłączanie napędu poszczególnych osi. Można to zrealizować w skrzyni rozdzielczej lub w mostach napędowych. Przy konstruowaniu samochodu terenowego, z napędem 6×6 (samochodu ciężarowego), jako alternatywę dla skrzyni rozdzielczej zwiększono po prostu ilość przełożeń w skrzyni. I co się okazało? Kierowca nie była stanie wykorzystać walorów terenowych samochodu.. Prędkość przejazdu odcinka drogi spadła średnio o 25%, po prostu przy 9 przełożeniach spadła zdolność do szybkiego i precyzyjnego reagowania na zmianę sytuacji na trasie. Dużo lepsze w tym przypadku okazało się zredukowanie liczby przełożeń do dwóch i zastosowanie skrzyni rozdzielczej dwubiegowej. Nie wszystkie samochody 4×4 posiadają redukcje do przełożeń terenowych. Pozbawiony tego jest Land Rover Freelander (dobrze że opcjonalnie częściowo rekompensuje to automatyczna skrzynia biegów z przetwornikiem hydrokinetycznym) i mimo ładnego wyglądu nie ma on szans ze swoim braciszkiem Defenderem na dojazd do domku na alpejskiej przełęczy tuż przed Wigiliją.

Dobrej jakości zawieszenie pozwla pokonywać prawdziwe bezdroża

fot. Produc

Jazda w terenie stawia szczególne wymagania przed zawieszeniem. Budowa zawieszenia może być bardzo finezyjna jak np. w Nissan Terrano II, gdzie zastosowano i drążki skrętne i sprężyny, stabilizatory oraz wahacze wzdłużne  i poprzeczne. Oś przednią zawieszono niezależnie. Zawieszenie tego wozu świetnie sprawowało się w rajdzie  Paryż -Dakar. Ale podobny efekt, przynoszą rozwiązania mało wyrafinowane, solidne i proste. Jako przykład może posłużyć również bardzo dobre zawieszenie Mercedesa Gelandewagen. Tutaj mamy zawieszenie obu osi zależne, elementami sprężystymi są sprężyny. Jeszcze inna koncepcję mieli konstruktorzy Hummera. Wykorzystali zawieszenie niezależne obu osi na podwójnych trójkątnych wahaczach oraz sprężynach śrubowych. Istnieje spora różnorodność, ale klaruje się pewien kierunek. Samochodu luksusowe lub sportowe mają zawieszenie bardziej finezyjne, mocne – terenowe lub militarne, może mniej komfortowe ale za to bardziej niezawodne i prostsze w obsłudze. Warto jednak przyjrzeć się z czego ewentualnie można budować idealne „dla nas” zawieszenie. Zawieszenie, które należy traktować jako zespół elementów sprężystych oraz wiążących je łączników, łączący poszczególne koła i osie samochodu z ramą lub bezpośrednio z nadwoziem samochodu, ma wpływ na nasz komfort oraz na możliwości terenowe naszego pojazdu, warto więc dostroić je idealnie do naszych potrzeb.

W budowie obu rodzajów zawieszeń występują elementy sprężyste oraz tłumiące. Zadaniem elementów sprężystych w zawieszeniu jest:

-łagodzenie obciążeń udarowych,

-zapewnienie płynności ruchu pojazdu.

Jako element sprężysty wykorzystuje się:

-resory,

-sprężyny śrubowe,

-drążki skrętne,

-pneumatyczne elementy sprężyste,

-hydropneumatyczne elementy sprężyste.

Resory piórowe mogą przenosić siły pionowe, podłużne, i poprzeczne oraz momenty skręcające. Występują zazwyczaj jako resory półeliptyczne lub paraboliczne. Stanowią wiązkę płaskowników o różnych długościach i różnych długościach. Najczęściej występują jako resory podłużne, bądź jako poprzeczne w zawieszeniach niezależnych.

Sprężyny śrubowe są elementami sprężystymi, które mogą przenosić tylko siły osiowe. Najczęściej są stosowane w zawieszeniach niezależnych z wahaczami poprzecznymi.

Drążki skrętne jako elementy sprężyste znajdują głównie zastosowanie w samochodach z niezależnym zawieszeniem. Mogą przenosić tylko momenty skręcające pozostałe siły i momenty musza być przenoszone przez elementy prowadzące.

Pneumatyczne elementy sprężyste mogą mieć stałą ilość powietrza w mieszkach lub zmienną. Elementy ze stałą ilością powietrza maja postać poduszek o dużej powierzchni i niskim ciśnieniu, jest to konieczne ze względu na pożądana częstotliwość drgań.

Hydropneumatyczne elementy sprężyste charakteryzują się stałą ilością gazu w komorze przeponowej i oddziaływanie na przeponę, nie bezpośrednio przez trzon tłoka, lecz za pośrednictwem oleju mieszczącego się między tłokiem a przeponą. Stałą wysokość elementu sprężystego uzyskuje się przez doprowadzenie do elementu sprężystego takiej ilości oleju, jaka jest potrzebna do zrekompensowania zmniejszenia się objętości gazu wywołanej przez przyrost obciążenia

Amortyzatory stanowią w zawieszeniu ważny element tłumiący drgania pionowe. W pojazdach kołowych rozpowszechnione są amortyzatory hydrauliczne. Mogą być one jedno- lub dwustronnego działania. Ze względów konstrukcyjnych amortyzatory dzielimy na:

-tłoczkowe, wytłaczanie cieczy z cylindra odbywa się za pomocą tłoczka;

-skrzydełkowe, przetłaczanie cieczy odbywa się za pomocą przegród współosiowych z osią cylindra;

-teleskopowe, w których przetłaczanie cieczy odbywa się za pomocą umieszczonego w długim cylindrze tłoka o skoku odpowiadającym obukierunkowym przemieszczeniu samochodu.

Stosowanie amortyzatorów powoduje wzrost płynności ruchu, podnosi stateczność i bezpieczeństwo jazdy przez zapobieganie odrywaniu się kół od podłoża, zwiększa trwałość elementów sprężystych.

Z przeglądu budowy zawieszeń aut 4×4, wyłania się jeszcze pewna prawidłowość. Samochody  droższe, nie aspirujące do przejezdności wszystkich dróg mają zawieszenia niezależne jednej lub dwóch osi. Te najbardziej spartańskie pojazdy, ale za to o świetnej przejezdności często wyposażane są w zawieszenia zależne. Jakie są tego przyczyny?

W przypadku zawieszenia niezależnego mamy do czynienia z takim połączeniem kół z podwoziem, w którym koła mogą zmieniać położenie względem podwozia niezależnie jedno od drugiego. Możliwe jest pokonywanie większych nierówności, bez odrywania jednego z kół danej osi. Przy zawieszeniach zależnych, zmiana położenia jednego koła wpływa na położenie drugiego koła tej osi. Zalety wynikające ze stosowania zawieszeń niezależnych:

-wyeliminowanie kątowych drgań kół przednich,

-zmniejszenie mas nieresorowanych,

-umożliwienie niższego mocowania silnika,

-większe możliwości stosowania różnych resorowań kół przednich,

-mniejsze zużycie opon,

-większy komfort jazdy.

Natomiast zawieszenia zależne charakteryzuje:

-duża trwałość (co ma największe znaczeniu przy budowie samochodów do ekstremalnej eksploatacji),

-większa masa nieresorowana,

-ponad osią musi istnieć przestrzeń, aby możliwy był jej pionowy ruch,

-brak zmian kątów zbieżności oraz rozstawu osi, i kątów pochylenia kół przy pionowych ruchach zawieszenia,

-łatwiejsza i mniej kosztowna obsługa i naprawa.

Właściwy dobór ogumienia jest bardzo ważny

fot. Jeep

Co powinno cechować opony przeznaczone do samochodów terenowych? Po raz kolejny wiele zależy od przeznaczania pojazdu. dobór opon jest przecież bardzo istotną sprawą. Szczególnie istotny jest dobór opon do samochodu terenowego, ponieważ od opon w dużym stopniu zależą zdolności terenowe pojazdu. Dlatego przy zakupie ogumienia warto kierować się zasadą określenia swojego terytorium, to znaczy jakiego rodzaju drogi będą przeważały pod kołami naszego samochodu. Jakie cechy powinna mieć solidna opona terenowa?                Przyjrzyjmy się podstawowym typom opon stosowanym w samochodach terenowych. Możemy je pogrupować w następujący sposób:

-opony szosowe,

-opony uniwersalne,

-opony do jazdy po bezdrożach.

Opona szosowa przeznaczona dla tych, którzy bardzo rzadko wjeżdżają w teren, najczęściej jest spotykana w dużych, szybkich terenowych limuzynach.

Opona uniwersalna tu bieżnik jest już wyższy i ułożony  rzędach, których jest zazwyczaj mniej niż w oponach szosowych, jest najlepszym wyborem dla tych, którzy połowę czasu za kierownicą spędzają w terenie.Opona do jazdy po bezdrożach, „kostka” bieżnika jest najwyższa i ułożona  małej ilości rzędów  ( tzw. „rzadki” bieżnik).

Opony pierwszego typu charakteryzuje:

-niski profil (stosunek wysokości przekroju do szerokości przekroju),

-największa ze wszystkich pozostałych sztywność,

-„gęsty” bieżnik,

-mała wysokość bieżnika,

-najmniejsze opory toczenia,

-mała przyczepność w trakcie jazdy po kopnym śniegu,

-kiepskie własności przy pokonywaniu sypkiego piasku,

-słabe własności tłumienia drgań powstałych od nierówności.

Ze względu na swoje własności przeznaczone są raczej do jazdy po dobrych drogach, pozwalając na osiąganie prędkości nawet powyżej 200 km/h, zapewniając przy tym optymalne zużycie paliwa i cichą pracę.

Opony ostatniego typu charakteryzuje:

-najwyższy z pozostałych profil,

-możliwość stosowania wysokich ciśnień,

-wysoki i „rzadki” bieżnik,

-duże opory toczenia,

-hałaśliwa pracy  przy szosowej jeździe,

-umożliwiają pokonywanie znacznych pochyleń,

-dobre tłumienie drgań pochodzących od nierówności terenowych.

Przeznaczone są do jazdy po bezdrożach, zapewniają bezpieczną jazdę do prędkości nie przekraczających 140 km/h. Opony drugiego typu są kompromisem między pierwszą a trzecią grupą. Takich opon jest chyba najwięcej w użytkowaniu, ponieważ każdy chce zapewnić sobie zarówno dobra przejezdność w terenie jak i w miarę ekonomiczną no i bezpieczną jazdę szosową. W budowie takich opon można się doszukać takich elementów jak:

-rowek obwodowy dający kontrolę nad pojazdem w trakcie jazdy po szosie;

-dwufazowe-jednokierunkowe bloki stabilizujące dające przyczepność w terenie;

-boczne bloki występujące na przemian na stronach opony, mające zapewnić przyczepność na błotnistych koleinach;

-wzmocnione zbrojenie boku, chroniące przed przebiciem ostrymi kamieniami;

-wzmocniony profil zapobiegający zsuwaniu się z felgi;

-kilka warstw mocnego kordu oraz warstw nylonowego opasania, zapewniające wytrzymałość oponie, także przy jeździe ze zmniejszonym ciśnieniem.

Spójrzmy jak przedstawia się wpływ opon na przejezdność określonych rodzajów podłoża:

-podłoże twarde, szosa – najlepsze właściwości wykazują opony szerokoprofilowe, szosowe;

-droga gruntowa z nierównościami, najlepiej sprawują się opony uniwersalne i terenowe, a najgorzej szerokoprofilowe, szosowe ze względu że przenoszą drgania na nadwozie oraz kierownicę;

-na śniegu najlepsze właściwości wykazują opony terenowe, podobnie jak na nawierzchniach błotnistych i torfowych;

– na sypkim piasku typu pustynnego praktycznie wszystkie rodzje opon mają takie same właściwości przy nominalnym ciśnieniu powietrza.

Próby terenowe wykazały bowiem, iż w pokonywaniu bezdroży ma znaczenie ciśnienie w ogumieniu:

drogi pokryte kopnym śniegiem najlepiej pokonywać  z kołami napompowanymi ciśnieniem 0,1 Mpa zapewnia to najmniejsze opory toczenie przy dużej przyczepności,

najlepszą przyczepność oraz niezbyt wysokie opory toczenia zapewnia ciśnienie 0,25 Mpa,

piasek dogodnie jest pokonywać przy ciśnieniu około 0,1 Mpa.

Ponadto należy pamiętać, że czas „życia” opony szosowej skraca  o 50 % :

jazda z obciążeniem większym o 60% niż nominalne,

jazda z mniejszym o 30% ciśnieniem powietrza,

jazda wyłącznie po gruntowych drogach górzystych oraz z grubego tłucznia.

Dla niedobranych opon do warunków eksploatacji czas ten będzie jeszcze krótszy.

Warto też przy okazji wyjaśnić pojęcia opony radialnej i diagonalnej. Otóż opona diagonalna składa się z osnowy (specjalne gumowane nici), która ma co najmniej dwie krzyżujące się warstwy. Łączą one dwa pierścienie z drutu.

Opona radialna – w niej drutówki są połączone osnową promieniowo. Pozwala to tym oponom:

-uzyskiwać większy niż oponom diagonalnym przebieg;

-uzyskiwać mniejsze opory toczenia;

-uzyskiwać większą nośność przy tym samym ciężarze;

-zapewnić większy komfort na szosie.

Opony diagonalne są odporniejsze na uszkodzenie boku opony. Istotne dla ogumienia samochodów terenowych jest także stosowanie dętek. Opony bezdętkowe powinny być stosowane tam gdzie zapewniona jest szczelność pomiędzy oponom a obręczą wtedy opona nie może odkształcać się zbytnio na boki ponieważ ujdzie z niej powietrze. Kolejnym ważnym elementem jest profil opony czyli stosunek jej wysokości do szerokości. Opony szerokoprofilowe wymagają większych obręczy co pozwala stosować większe i skuteczniejsze hamulce. Opony węższe mają za to mniejszą powierzchni styku z nawierzchnią przez co są bardziej odporne na aquaplaning i zapewniają lepszą przyczepność na bezdrożach.

Prawdziwy samochód 4×4 pozwoli na pokonywanie wzniesień o nachyleniu 95% czyli prawie 45 stopni

fot. VW

Podsumowując można stwierdzić, że dobór rozwiązań z szerokiej ich gamy zależy bardzo od przeznaczenia pojazdu. Często odpowiednio dobierając niektóre elementy zawieszenia czy opony sami możemy modyfikować jego „fabryczne” przeznaczenie, bo przecież napęd 4×4 to nie tylko ciężki teren ale także rekreacja, jak i bezpieczny przewóz osób.