Come funziona la trazione integrale

Gli Hummer funzionano su quattro ruote motrici. Guarda le foto del fuoristrada.

Esistono quasi tanti tipi diversi di sistemi a quattro ruote motrici quanti sono i veicoli a quattro ruote motrici. Sembra che ogni produttore abbia diversi schemi diversi per fornire potenza a tutte le ruote. Il linguaggio usato dalle diverse case automobilistiche a volte può essere un po 'confuso, quindi prima di iniziare a spiegare come funzionano, chiariamo un po' di terminologia:

• Quattro ruote motrici - Di solito, quando le case automobilistiche dicono che un'auto ha quattro ruote motrici, si riferiscono a un file mezza giornata sistema. Per ragioni che esploreremo più avanti in questo articolo, questi sistemi sono pensati solo per l'uso in condizioni di bassa trazione, come fuoristrada o su neve o ghiaccio.
• Trazione integrale - Questi sistemi sono talvolta chiamati quattro ruote motrici a tempo pieno. I sistemi di trazione integrale sono progettati per funzionare su tutti i tipi di superficie, sia su strada che fuoristrada, e la maggior parte di essi non può essere disattivata.

I sistemi di trazione integrale part-time e full-time possono essere valutati utilizzando gli stessi criteri. Il miglior sistema invierà esattamente la giusta quantità di coppia a ciascuna ruota, che è la coppia massima che non farà slittare il pneumatico.

In questo articolo, spiegheremo i fondamenti della trazione integrale, iniziando con alcune informazioni sulla trazione e esamineremo i componenti che compongono un sistema a quattro ruote motrici. Quindi daremo un'occhiata a un paio di sistemi diversi, incluso quello trovato sull'Hummer, prodotto per GM da AM General.

Abbiamo bisogno di sapere un po ' coppia, trazione e slittamento delle ruote prima di poter comprendere i diversi sistemi di trazione integrale presenti sulle auto.

La coppia è la forza di torsione prodotta dal motore. La coppia del motore è ciò che muove la tua auto. Le varie marce della trasmissione e del differenziale moltiplicano la coppia e la suddividono tra le ruote. È possibile inviare più coppia alle ruote in prima marcia che in quinta perché la prima marcia ha un rapporto di trasmissione maggiore per cui moltiplicare la coppia.

Il grafico a barre sottostante indica la quantità di coppia prodotta dal motore. Il segno sul grafico indica la quantità di coppia che provocherà lo slittamento della ruota. L'auto che parte bene non supera mai questa coppia, quindi le gomme non slittano; la macchina che parte male supera questa coppia, quindi le gomme slittano. Non appena iniziano a slittare, la coppia scende quasi a zero.

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La cosa interessante della coppia è che in situazioni di bassa trazione, la quantità massima di coppia che può essere creata è determinata dalla quantità di trazione, non dal motore. Anche se hai un motore NASCAR nella tua auto, se le gomme non si attaccano al suolo, semplicemente non c'è modo di sfruttare quella potenza.

Per il bene di questo articolo, definiremo trazione come la quantità massima di forza che il pneumatico può applicare contro il suolo (o che il terreno può applicare contro il pneumatico - sono la stessa cosa). Questi sono i fattori che influenzano la trazione:

Il peso sul pneumatico -- Maggiore è il peso di uno pneumatico, maggiore è la trazione. Il peso può cambiare durante la guida di un'auto. Ad esempio, quando un'auto fa una svolta, il peso si sposta sulle ruote esterne. Quando accelera, il peso si sposta sulle ruote posteriori. (Vedi Come funzionano i freni per maggiori dettagli.)

Il coefficiente di attrito -- Questo fattore mette in relazione la quantità di forza di attrito tra due superfici con la forza che tiene insieme le due superfici. Nel nostro caso, mette in relazione la quantità di trazione tra i pneumatici e la strada al peso che poggia su ogni pneumatico. Il coefficiente di attrito è principalmente una funzione del tipo di pneumatici sul veicolo e del tipo di superficie su cui sta guidando il veicolo. Ad esempio, uno pneumatico NASCAR ha un coefficiente di attrito molto elevato quando si guida su una pista asciutta e in cemento. Questo è uno dei motivi per cui le auto da corsa NASCAR possono curvare a velocità così elevate. Il coefficiente di attrito per quello stesso pneumatico nel fango sarebbe quasi zero. Al contrario, pneumatici fuoristrada enormi e tassellati non avrebbero un coefficiente di attrito così alto su una pista asciutta, ma nel fango, il loro coefficiente di attrito è estremamente alto.

Slittamento delle ruote -- Ci sono due tipi di contatto che i pneumatici possono creare con la strada: statico e dinamico.

• contatto statico -- Il pneumatico e la strada (o il terreno) non scivolano l'uno rispetto all'altro. Il coefficiente di attrito per il contatto statico è maggiore di quello per il contatto dinamico, quindi il contatto statico fornisce una migliore trazione.
• contatto dinamico -- Il pneumatico slitta rispetto alla strada. Il coefficiente di attrito per il contatto dinamico è inferiore, quindi hai meno trazione.

Molto semplicemente, lo slittamento delle ruote si verifica quando la forza applicata a un pneumatico supera la trazione disponibile per quel pneumatico. La forza viene applicata allo pneumatico in due modi:

• Longitudinalmente -- La forza longitudinale deriva dalla coppia applicata al pneumatico dal motore o dai freni. Tende ad accelerare o decelerare l'auto.
• Lateralmente -- La forza laterale si crea quando l'auto percorre una curva. Ci vuole forza per far cambiare direzione a un'auto: alla fine, i pneumatici e il terreno forniscono forza laterale.

Supponiamo che tu abbia un'auto a trazione posteriore abbastanza potente e che stai percorrendo una curva su una strada bagnata. I tuoi pneumatici hanno molta trazione per applicare la forza laterale necessaria per mantenere la tua auto sulla strada mentre gira intorno alla curva. Supponiamo che tu schiacci il pedale dell'acceleratore a metà della curva (non farlo!) - il tuo motore invia molta più coppia alle ruote, producendo una grande quantità di forza longitudinale. Se aggiungi la forza longitudinale (prodotta dal motore) e la forza laterale creata in curva, e la somma supera la trazione disponibile, hai appena creato lo slittamento delle ruote.

La maggior parte delle persone non si avvicina nemmeno a superare la trazione disponibile su pavimentazione asciutta, o anche su pavimentazione piana e bagnata. I sistemi di trazione integrale e quattro ruote motrici sono più utili in situazioni a bassa trazione, come sulla neve e su colline scivolose.

Il vantaggio della trazione integrale è facile da capire: se guidi quattro ruote invece di due, hai il potenziale per raddoppiare la quantità di forza longitudinale (la forza che ti fa andare) che i pneumatici applicano al suolo.

Questo può aiutare in una varietà di situazioni. Per esempio:

• Nella neve -- Ci vuole molta forza per spingere un'auto nella neve. La quantità di forza disponibile è limitata dalla trazione disponibile. La maggior parte delle auto a due ruote motrici non può muoversi se c'è più di qualche centimetro di neve sulla strada, perché nella neve ogni pneumatico ha solo una piccola quantità di trazione. Un'auto a quattro ruote motrici può utilizzare la trazione di tutti e quattro i pneumatici.
• Fuori strada -- In condizioni fuoristrada, è abbastanza comune che almeno un treno di pneumatici si trovi in ​​una situazione di bassa trazione, come quando si attraversa un ruscello o una pozza di fango. Con la trazione integrale, l'altro set di pneumatici ha ancora trazione, quindi possono tirarti fuori.
• Arrampicata su colline scivolose -- Questo compito richiede molta trazione. Un'auto a quattro ruote motrici può utilizzare la trazione di tutti e quattro i pneumatici per tirare l'auto su per la collina.

Ci sono anche alcune situazioni in cui la trazione integrale non offre alcun vantaggio rispetto alle due ruote motrici. In particolare, i sistemi a quattro ruote motrici non ti aiuteranno a fermarti su superfici scivolose. Dipende tutto dai freni e dal sistema antibloccaggio (ABS).

Ora diamo un'occhiata alle parti che compongono un sistema a quattro ruote motrici.

Il tipo più comune di differenziale: il differenziale aperto

Le parti principali di qualsiasi sistema a quattro ruote motrici sono i due differenziali (anteriore e posteriore) e il ripartitore di coppia. Inoltre, i sistemi part-time hanno mozzi di bloccaggio ed entrambi i tipi di sistemi possono avere un'elettronica avanzata che li aiuta a fare un uso ancora migliore della trazione disponibile.

Differenziali Un'auto ha due differenziali, uno situato tra le due ruote anteriori e uno tra le due ruote posteriori. Inviano la coppia dall'albero motore o dalla trasmissione alle ruote motrici. Consentono inoltre alle ruote sinistra e destra di girare a velocità diverse quando si effettua una svolta.

Quando aggiri una svolta, le ruote interne seguono un percorso diverso rispetto a quelle esterne e le ruote anteriori seguono un percorso diverso rispetto alle ruote posteriori, quindi ciascuna ruota gira a una velocità diversa. I differenziali consentono la differenza di velocità tra le ruote interne ed esterne. (Nella trazione integrale, la differenza di velocità tra le ruote anteriori e posteriori è gestita dal caso di trasferimento - ne parleremo in seguito.)

Esistono diversi tipi di differenziali utilizzati nelle auto e nei camion. I tipi di differenziali utilizzati possono avere un effetto significativo sul modo in cui il veicolo utilizza la trazione disponibile. Vedi come funzionano i differenziali per maggiori dettagli.

Un tipico caso di trasferimento a quattro ruote motrici part-time: la riduzione dell'ingranaggio epicicloidale può essere innestata per fornire la marcia bassa.

Caso di trasferimento

Questo è il dispositivo che divide la potenza tra l'assale anteriore e quello posteriore su un'auto a quattro ruote motrici.

Tornando al nostro esempio di svolta in curva: mentre i differenziali gestiscono la differenza di velocità tra le ruote interne ed esterne, la scatola di trasferimento in un sistema a trazione integrale contiene un dispositivo che consente una differenza di velocità tra le ruote anteriori e posteriori. Questo potrebbe essere un giunto viscoso, un differenziale centrale o un altro tipo di cambio. Questi dispositivi consentono a un sistema di trazione integrale di funzionare correttamente su qualsiasi superficie.

Il caso di trasferimento su un sistema a quattro ruote motrici part-time blocca l'albero di trasmissione dell'asse anteriore all'albero di trasmissione dell'asse posteriore, quindi le ruote sono costrette a slittare alla stessa velocità. Ciò richiede che le gomme slittino quando l'auto effettua una svolta. Sistemi part-time come questo dovrebbero essere utilizzati solo in situazioni a bassa trazione in cui è relativamente facile che i pneumatici scivolino. Sul cemento asciutto, non è facile per i pneumatici scivolare, quindi la trazione integrale dovrebbe essere disinnestata per evitare curve a scatti e un'usura extra di pneumatici e trasmissione.

Alcuni casi di trasferimento, più comunemente quelli in sistemi part-time, contengono anche un set aggiuntivo di marce che danno al veicolo a gamma bassa. Questo rapporto di trasmissione extra conferisce al veicolo una coppia extra e una velocità di uscita super lenta. In prima marcia a basso regime, il veicolo potrebbe raggiungere una velocità massima di circa 5 mph (8 km / h), ma viene prodotta un'incredibile coppia alle ruote. Ciò consente ai conducenti di arrampicarsi lentamente e senza intoppi su colline molto ripide.

Hub di blocco

Ogni ruota di un'auto è fissata a un mozzo. Di solito i camion a quattro ruote motrici part-time hanno mozzi di bloccaggio sulle ruote anteriori. Quando la trazione integrale non è innestata, i mozzi di bloccaggio vengono utilizzati per scollegare le ruote anteriori dal differenziale anteriore, dai semialberi (gli alberi che collegano il differenziale al mozzo) e dall'albero motore. Ciò consente al differenziale, ai semiassi e all'albero di trasmissione di smettere di girare quando l'auto è a due ruote motrici, risparmiando usura su quelle parti e migliorando il risparmio di carburante.

I mozzi con bloccaggio manuale erano abbastanza comuni. Per innestare la trazione integrale, il conducente doveva effettivamente scendere dal camion e girare una manopola sulle ruote anteriori fino a quando i mozzi non si bloccavano. I sistemi più recenti hanno mozzi di bloccaggio automatico che si innestano quando il conducente passa alla trazione integrale. Normalmente questo tipo di sistema può essere attivato mentre il veicolo è in movimento.

Che siano manuali o automatici, questi sistemi generalmente utilizzano un collare scorrevole che blocca i semiassi anteriori al mozzo.

Elettronica avanzata

Su molti moderni veicoli a quattro ruote e trazione integrale, l'elettronica avanzata gioca un ruolo chiave. Alcune auto utilizzano il sistema ABS per applicare selettivamente i freni alle ruote che iniziano a slittare - questo è chiamato controllo della trazione del freno.

Altri hanno frizioni sofisticate e controllate elettronicamente che possono controllare meglio il trasferimento di coppia tra le ruote. Daremo un'occhiata a uno di questi sistemi avanzati più avanti nell'articolo.

Per prima cosa, vediamo come funziona il sistema di trazione integrale part-time più semplice.

Schema del sistema di base

Il tipo di sistema part-time che si trova tipicamente sui pickup a quattro ruote motrici e sui SUV più vecchi funziona in questo modo: il veicolo è solitamente a trazione posteriore. La trasmissione si collega direttamente a un caso di trasferimento. Da lì, un albero di trasmissione ruota l'asse anteriore e un altro ruota l'asse posteriore.

Quando la trazione integrale è innestata, la scatola di trasferimento blocca l'albero di trasmissione anteriore all'albero di trasmissione posteriore, in modo che ogni asse riceva metà della coppia proveniente dal motore. Allo stesso tempo, i mozzi anteriori si bloccano.

Gli assi anteriore e posteriore hanno ciascuno un differenziale aperto. Sebbene questo sistema fornisca una trazione molto migliore rispetto a un veicolo a due ruote motrici, presenta due principali inconvenienti. Ne abbiamo già discusso uno: non può essere utilizzato su strada a causa del caso di trasferimento bloccato.

Il secondo problema deriva dal tipo di differenziali utilizzati: un differenziale aperto divide la coppia in modo uniforme tra ciascuna delle due ruote a cui è collegato (vedi Come funzionano i differenziali per maggiori dettagli). Se una di queste due ruote si stacca da terra o si trova su una superficie molto scivolosa, la coppia applicata a quella ruota scende a zero. Poiché la coppia è suddivisa in modo uniforme, significa che anche l'altra ruota riceve una coppia zero. Quindi, anche se l'altra ruota ha molta trazione, non viene trasferita alcuna coppia. L'animazione seguente mostra come un sistema come questo reagisce in varie condizioni.

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Animazione di un sistema di base che incontra varie combinazioni di terreno. Questo veicolo si blocca quando due delle sue ruote sono sul ghiaccio.

In precedenza, abbiamo detto che il miglior sistema a quattro ruote motrici invierà esattamente la giusta quantità di coppia a ciascuna ruota, la giusta quantità è la coppia massima che non farà slittare quel pneumatico. Questo sistema è abbastanza scarso da quel criterio. Invia a entrambe le ruote la quantità di coppia che non causerà il pneumatico con il meno trazione per scivolare.

Esistono alcuni modi per apportare miglioramenti a un sistema come questo. La sostituzione del differenziale aperto con un differenziale posteriore a slittamento limitato è uno dei più comuni: questo garantisce che entrambe le ruote posteriori siano in grado di applicare una coppia, indipendentemente da cosa. Un'altra opzione è un differenziale bloccabile, che blocca le ruote posteriori insieme per garantire che ciascuna abbia accesso a tutta la coppia che entra nell'asse, anche se una ruota è sollevata da terra: questo migliora le prestazioni in condizioni fuoristrada.

Nella prossima sezione, daremo uno sguardo a quello che potrebbe essere l'ultimo sistema a quattro ruote motrici: quello sull'Hummer.

Il veicolo militare AM General Hummer combina una tecnologia meccanica avanzata con un'elettronica sofisticata per creare quello che è probabilmente il miglior sistema a quattro ruote motrici disponibile.

L'Hummer ha un sistema a tempo pieno con funzionalità aggiuntive che possono essere attivate per migliorare le prestazioni fuoristrada. In questo sistema, proprio come nel nostro sistema di base, la trasmissione è agganciata alla scatola di trasferimento. Dalla scatola di trasferimento, un albero di trasmissione si collega all'assale anteriore e uno all'asse posteriore. Tuttavia, la scatola di trasferimento sull'Hummer non blocca automaticamente insieme gli assi anteriore e posteriore. Invece, contiene una serie di marce a differenziale aperto che possono essere bloccate dal conducente. In modalità aperta (non bloccata), gli assi anteriore e posteriore possono muoversi a velocità diverse, quindi il veicolo può guidare su strade asciutte senza problemi. Quando il differenziale è bloccato, l'assale anteriore e quello posteriore hanno accesso alla coppia del motore. Se le ruote anteriori sono nelle sabbie mobili, le ruote posteriori ottengono tutta la coppia che possono sopportare.

Schema del sistema Hummer, una caratteristica interessante dell'Hummer sono i mozzi con cambio che utilizza su ciascuna ruota. Questi sollevano l'intera trasmissione, dando all'Hummer 16 pollici (40,64 cm) di altezza da terra, più del doppio rispetto alla maggior parte delle quattro ruote motrici.

I differenziali anteriore e posteriore sono entrambi Torsen^® differenziali. Questi differenziali hanno un cambio unico: non appena rileva una diminuzione della coppia su una ruota (che si verifica quando un pneumatico sta per slittare), il cambio trasferisce la coppia all'altra ruota. I differenziali Torsen possono trasferire da due a quattro volte la coppia da una ruota all'altra. Questo è un grande miglioramento rispetto ai differenziali aperti. Ma se una ruota è sollevata da terra, l'altra non riceve ancora coppia.

Per gestire questo problema, l'Hummer è dotato di un sistema di controllo della trazione del freno. Quando uno pneumatico inizia a slittare, il controllo della trazione del freno applica i freni a quella ruota. Questo realizza due cose:

• Mantiene lo pneumatico dallo slittamento, consentendogli di sfruttare al massimo la trazione disponibile.
• Consente all'altra ruota di applicare più coppia.

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Il sistema Hummer incontra varie combinazioni di terreno: affinché l'Hummer si blocchi, tutte e quattro le ruote dovrebbero perdere trazione.

Il sistema di controllo della trazione del freno applica una coppia significativa alla ruota che vuole slittare, consentendo al differenziale Torsen di applicare da due a quattro volte la coppia maggiore all'altra ruota.

Mettiamo l'Hummer alla prova.

Il sistema sull'Hummer è in grado di inviare una grande quantità di coppia a qualsiasi pneumatico abbia trazione, anche se questo significa inviare tutto a un singolo pneumatico. Questo porta l'Hummer molto vicino alla nostra definizione di un sistema di trazione integrale ideale: uno che fornisce a ogni pneumatico la massima quantità di coppia che può gestire.

Per ulteriori informazioni sulla trazione integrale e argomenti correlati, controlla i collegamenti nella pagina successiva.

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