Wykonał: Masternak Damian Kl. IV T4B

Układ napędowy

Wiemy, że samochód bez silnika to nie samochód...
Lecz sam silnik też na niewiele się przyda. Wiemy jak
precyzyjnie zaprogramowane i sterowane wybuchy w
komorze spalania wprawiają w ruch tłok, który przy
pomocy korbowodu obraca wałem. Lecz nie od razu
wytworzony przez jednostkę napędową moment
obrotowy poruszy nasz pojazd. Po drodze napotka
jeszcze kilka mechanizmów, prostych, a jednak
nieodzownych by płynnie przekazać obroty i
maksymalnie ograniczyć straty. Ten mini świat kół
zębatych, tarcz ciernych, wałków, cięgien i dźwigienek
to tzw. układ przeniesienia napędu.

Istnieje wiele rozwiązań zespołu, o którym tu mowa. Jednak
niezależnie od zastosowanej koncepcji, następujące elementy
występują zawsze:

- skrzynia przekładniowa ze sprzęgłem

- elementy przekazujące moment obrotowy (wały, półosie

napędowe)

- przekładnia główna z mechanizmem różnicowym (dyferencjałem)

- koła napędzane.

Rodzaje układu
napędowego



Zadaniem pierwszego odcinka układu przeniesienia napędu jest uzyskanie żądanego
stopnia redukcji prędkości obrotowej wału korbowego, oraz zmiany kierunku ruchu.
Umożliwia to skrzynia przekładniowa (skrzynia biegów), w której zestaw kół
zębatych, łącząc się w różnych konfiguracjach, pozwala uzyskać, regulowany
stopniowo, szeroki zakres prędkości jazdy, oraz ruch do przodu i do tyłu. Zmiana
biegów może odbywać się ręcznie - przy użyciu systemu dźwigni mechanicznych, lub
automatycznie. W drugim przypadku steruje nią ciśnienie oleju w silniku. Stopień
kolejnych przełożeń skrzyni dobierany jest do charakterystyki silnika, z którym ma
ona współpracować by najlepiej wykorzystać moment obrotowy.



Skrzynia biegów połączona jest z wałem silnika za pośrednictwem sprzęgła ciernego,
tarczowego. Umożliwia ono odłączenie napędu na czas zmiany przełożenia,
następnie płynne wyrównanie prędkości obrotowych w celu uniknięcia przeciążeń i
wreszcie przekazywanie momentu "na sztywno". Działanie tego podzespołu polega
na regulowanym docisku ruchomej tarczy, pokrytej okładzinami z materiału o dużym
współczynniku tarcia, do tarczy połączonej na stałe z wałem korbowym silnika. Przy
zwolnionej dźwigni sprzęgła tarcze pozostają dociśnięte do siebie z maksymalną siłą,
nie występuje między nimi różnica prędkości. Wciskając pedał zmniejszamy docisk
tarcz, uzyskując coraz większy poślizg aż do całkowitego rozdzielenia tarcz.

Zadanie układu
napędowego



Moment obrotowy należy następnie
przekazać na koła jezdne. Odbywa się
to w kilku etapach. Najpierw wał
napędowy łączy skrzynię biegów z
przekładnią główną osi napędzanej,
gdzie następuje dalsze zmniejszenie
liczby obrotów, następnie moment jest
rozdzielany przez mechanizm
różnicowy. Dalej półosie napędowe
kierują go na koła. Przy czym
przeniesienie napędu z wału na półosie
musi odbyć się tak, by umożliwić
kołom napędzanym jednej osi
obracanie się z różnymi prędkościami,
w przeciwnym razie niemożliwa byłaby
jazda w zakrętach, kiedy to koło
wewnętrzne pokonuje krótszą drogę,
przez co kręci się wolniej niż
zewnętrzne. Ta sytuacja wymaga
zastosowania specyficznego rodzaju
przekładni zwanej satelitarną,
różnicową lub dyferencjalną (stąd
nazwa mechanizm różnicowy lub
dyferencjał).



Działanie tego podzespołu jest wprost genialne w swej prostocie. Zasadniczym
elementem jest tu krzyżak, przejmujący bezpośrednio moment obrotowy z
przekładni głównej. Na jego czopach znajdują się satelity, mające postać
niewielkich kół zębatych. Wykonują one ruch obiegowy wokół osi krzyżaka, lecz
nie są z nim sztywno połączone, toteż mogą obracać się również wokół własnej
osi. Współosiowo z krzyżakiem obracają się tzw. korony - koła zębate, zazębione
z satelitami i połączone sztywno z półosiami napędowymi, zatem ich prędkość
obrotowa równa jest prędkości kół napędzanych.



Prace mechanizmu różnicowego rozpatrywać można w trzech przypadkach. Gdy
pojazd porusza się na wprost, prędkości kół a więc i koron są równe. Satelity
łączą wówczas jedynie krzyżak z koronami wykonując tylko ruch obiegowy. W
czasie pokonywania zakrętu korona półosi wewnętrznej zaczyna obracać się
wolniej a zewnętrznej szybciej. Przekazywanie napędu w takiej sytuacji, przy
stałej prędkości krzyżaka możliwe jest dzięki wymuszeniu ruchu obrotowego
satelit. Mechanizm różnicowy rozdziela prędkość obrotową proporcjonalnie.
Znaczy to, że wartość spadku tej wartości na koronie półosi wewnętrznej równa
jest zawsze jej wzrostowi na koronie półosi zewnętrznej. Widać to szczególnie
dobrze gdy wystąpi duża różnica przyczepności między kołami osi napędzanej.
Działanie dyferencjału spowoduje wówczas unieruchomienie koła stykającego
się z nawierzchnią o dużej przyczepności. Drugie, mające kontakt np. z lodem
będzie obracać się z prędkością dwa razy większą niż krzyżak. Wynika to z faktu
sumowania się obrotów krzyżaka i satelit toczących się po unieruchomionej
koronie.



Teraz przyszła pora by przeprosić silnik i zachęcić by znów się z nami pobawił: zgodnie z
obowiązującą tu nomenklaturą nadamy mu przydomek układ wytwarzania napędu i dalej
jego spółkę z omówionym powyżej układem przeniesienia napędu nazywać będziemy
układem napędowym.



Istnieje szereg rozwiązań jego konstrukcji, zależnych od umiejscowienia silnika i tego, które
koła maja być napędzane. Najliczniejszą grupę stanowią pojazdy, których jednostka
napędowa znajduje się w przedniej części. Występują tu konfiguracje napędzające koła
tylne, przednie lub wszystkie cztery. Alternatywę stanowi umieszczenie silnika z tyłu i
bezpośrednie przekazanie momentu na najbliższą oś.



Zastosowanie danej konstrukcji skutkuje uzyskaniem charakterystycznych dla niej
właściwości trakcyjnych i uzależnione jest najogólniej mówiąc od koncepcji przeznaczenia
samochodu.



Układ napędowy, który wymienię jako pierwszy można chyba nazwać
klasycznym (schemat powyżej). Posiada on silnik umieszczony z przodu i
napędza koła tylne. Powstał u zarania motoryzacji, gdy inne rozwiązania
napotykały jeszcze problemy techniczne. Jego zalety to prostota, trwałość i
odporność na obciążenia a także dobre właściwości trakcyjne. Jednak duża
masa i droga przekazywania momentu podnoszą koszty eksploatacji.



Jako drugą przedstawię konstrukcję napędzającą wszystkie cztery koła pojazdu
(4x4, 4WD, AWD). Technicznie jest ona wyraźnie spokrewniona z pierwszą, lecz
zawiera kilka dodatkowych elementów.



Pierwszą nowością jest skrzynia rozdzielcza, umiejscowiona za skrzynią biegów.
Jest to przekładnia umożliwiająca poprowadzenie momentu obrotowego w
kierunku obu osi. W samochodach terenowych omawiany element zawiera
dodatkowo reduktor pozwalający wybrać między przełożeniem drogowym a
terenowym. Mówimy wówczas o skrzyni rozdzielczo - redukcyjnej. Rozdział
napędu między osiami wymaga ponadto zastosowania urządzenia, które będzie
łagodzić przeciążenia wywołane przez ewentualne różnice prędkości w
końcowych odcinkach układu. Chodzi oczywiście o dyferencjał, zwany tutaj
centralnym lub międzyosiowym mechanizmem różnicowym.



Konstrukcje 4x4 cechują najlepsze walory trakcyjne. Pojazdy terenowe
wykorzystują je do jazdy po bezdrożach, osobowe i sportowe odznaczają się
bardzo dobrą przyczepnością. Nie sprawia tu problemu pokonanie stromego
podjazdu czy ostrego zakrętu... (oczywiście w granicach rozsądku). Tak
rozbudowany układ napędowy podnosi jednak znacznie koszty wytworzenia
pojazdu. Powoduje również największe straty momentu, a przez to obarcza
użytkownika dużymi kosztami zużycia paliwa.



A teraz coś dla przeciwwagi... Powszechność osiągnięć współczesnej
motoryzacji wiąże się nieodłącznie z faktem poszukiwania rozwiązań prostych,
tanich i ekonomicznych. Po co przesyłać napęd z przodu na tył lub na cztery
koła, pozwalając sile tarcia bezproduktywnie pochłaniać moment obrotowy?
Można niezbędne podzespoły skupić w jednym korpusie połączonym z silnikiem
i przekazać napęd do najbliższej osi.



W konstrukcjach tego typu sprzęgło, skrzynia
biegów i mechanizm różnicowy stanowią
zespół, co maksymalnie ogranicza straty.
Układ taki dobudować można do silnika
umieszczonego z przodu lub z tyłu i
napędzać analogiczne osie. Wspomniana
przeciwwaga działa jednak w dwie strony
i zyskując na zmniejszeniu kosztów
eksploatacji, tracimy na pogorszeniu
właściwości trakcyjnych.



Na koniec pozostaje poruszyć jeszcze jedno zagadnienie. Rozpatrywane przy
omawianiu konstrukcji silników aspekty dynamiczne mają duże znaczenie również
tutaj. Poszczególne elementy układu napędowego od silnika począwszy na kołach
kończąc, mimo niewielkich gabarytów, stanowią istotny procent masy pojazdu.
Powoduje to powstawanie dużych sił bezwładności, istotnie wpływających na
prowadzenie, przy coraz większych przecież prędkościach. Oczywistym jest, że fizyka
ma swoje prawa i nie każdy zakręt da się pokonać bez zerwania przyczepności, ale w
ślad za zwiększaniem mocy silników musi iść działanie na rzecz wyważenia całej bryły
pojazdu.



W klasycznych układach przeniesienia napędu zwraca uwagę symetryczne
rozmieszczenie poszczególnych elementów względem osi wzdłużnej. Uzyskuje
się tą drogą równomierny rozkład masy. Stwierdzenie to nie jest na pewno
odkryciem Ameryki. Mimo to powtórzę raz jeszcze. Uzyskuje się tą drogą
równomierny rozkład masy... ale tylko względem osi wzdłużnej! Bilans przód -
tył zwykle nadal pozostaje zachwiany. Najlepszą drogą do rozwiązania tego
problemu jest umieszczenie jednostki napędowej centralnie między osiami, z
reguły jednak to miejsce zarezerwowane jest dla nas - pasażerów, dlatego
większość ludzi w życiu nie zobaczy na własne oczy samochodu o takiej
budowie. Narzędziem, które pozostaje konstruktorom jest... karoseria. Nie
powinien już zatem dziwić masywny "kufer" w pojazdach z silnikiem z przodu i
wprost nienaturalnie długa maska w konstrukcjach z "motorem" ciasno
upchanym nad tylną osią. Szersze omawianie roli karoserii w dynamice pojazdu,
byłoby odejściem od tematu. Warto jednak przestrzec przed oceną wyglądu
zewnętrznego samochodu wyłącznie w kategoriach stylistyki.



W motoryzacji jak w życiu... Nie można mieć wszystkiego. Wybierać trzeba
często miedzy oszczędnością, trwałością i wszechstronnością. Mnogość
rozwiązań ułatwiających ten wybór przyprawia o zawrót głowy. Opisane powyżej
przedstawiają jedynie w zarysie dorobek ponad stu lat pracy twórców
samochodów. Dziś prócz udoskonalania rozwiązań szeroko pojmowanych
układów napędowych, powstają doskonałe systemy ich wspomagania
(elektroniczne i mechaniczne), jednocześnie wiele uwagi poświęca się
bezpieczeństwu.