Na początku swojej historii napędzane obie osie były ze sobą połączone permanentnie. Jednak w dzisiejszych czasach do automatycznej regulacji rozdziału mocy, wykorzystuje się głównie systemy elektroniczne. O to historia napędu 4×4 w pigułce.

Jak to często bywa wiele mechanizmów, które znalazło szerokie zastosowanie w początkowej fazie kreowania się świata motoryzacji, wywodzi się z innych kręgów środków lokomocji. Samolotów, łodzi, pociągów. Tak było też w przypadku napędu 4×4. Początków jego powstania należy szukać w dziele Johna Hilla i Timothy Burstalla. Ci dwaj Brytyjczycy w 1827 roku skonstruowali wóz parowy, którego każde z kół napędzane było oddzielnie. Był to jednak pojazd szynowy, który poza filozofią napędu, niewiele miał wspólnego z wymaganiami stawianymi w przypadku samochodów.

Początek napędu 4×4

Pewien przełom przyniósł dopiero rok 1900. Wtedy to Ferdynand Porsche skonstruował swój pierwszy pojazd, którego każde z kół napędzane było indywidualnie. Co ciekawe, był to także jeden z pionierskich projektów aut elektrycznych, bowiem właśnie każde koło samochodu o nazwie Lohner-Porsche, napędzane było własnym silnikiem na prąd.

Największą propagację napędu 4×4 przypisuje się jednak wojsku. Kiedy podczas okresu II Wojny Światowej rząd amerykański zlecił przemysłowi opracowanie lekkiego samochodu, który mógłby pokonać trudne warunki w terenie. W ten sposób powstał słynny Jeep (tzw. Willys), któremu do dziś dzień Amerykanie zawdzięczają wygraną w tym globalnym konflikcie zbrojnym.

Mechanizm w Willys-ach opierał się na bardzo prostej, wręcz szkolnej zasadzie. Podczas jazdy w normalnych warunkach napędzana była tylko i wyłącznie tylna oś. Kiedy mały Jeep wjeżdżał w teren, kierowca za pomocą dodatkowego drążka dołączał oś przednią. Za pomocą prostego sprzęgła obie osie były spinane sztywno ze sobą. Na twardym, asfaltowym podłożu taki napęd 4×4 był bezcelowy i mógł doprowadzić do awarii całego układu napędowego, ponieważ w trakcie pokonywania zakrętów różnica prędkości obrotu kół na przedniej i tylnej osi była zbyt duża. Sztywno spięte osie ulegały w ten sposób dużym napięciom. W terenie, gdzie jazda odbywa się przy niższych prędkościach, skręty odbywają się znacznie wolniej, a różnice w prędkości obrotu kół na obu osiach niwelowane są dodatkowo przez uślizgi opon, jazda z aktywnym napędem 4×4 nie stanowiła najmniejszego problemu.

Dołączany w ten sposób napęd na wszystkie koła dawał podczas jazdy w terenie tyle korzyści, że Jeep postanowił korzystać z niego także w dużo nowszych modelach, jak chociażby Wrangler. Po pierwsze jest tani w produkcji, po drugie zapewnia autu trakcję nawet wtedy, kiedy jedna oś znajduje się na śliskim, a druga znajduje się na przyczepnym podłożu.

Niezaprzeczalne zalety napędu 4×4 kierowcy w Stanach Zjednoczonych chcieli także posiadać w autach, które przez większość swojego życia poruszają się po twardych nawierzchniach. W pewnym sensie za „ucywilizowanie” tego rodzaju napędu, ponownie odpowiedzialny był Jeep. Z początkiem lat 60-tych ubiegłego wieku w ofercie amerykańskiej marki pojawił się model Wagoneer. Przestronne auto, w którym nie trzeba było już załączać lub odłączać napędu 4×4 za pomocą dodatkowego lewarka. Znany z dotychczasowych aut terenowych scenariusz załączania drugiej osi odszedł do lamusa, kiedy właśnie w modelu Wagoneer inżynierowie Jeepa zastosowali centralny mechanizm różnicowy, czyli tzw. dyferencjał, który daje wiele możliwości przenoszenia mocy na koła.

50:50

Dzięki takiemu elementowi możliwa była już jazda ze spiętymi oboma osiami po asfalcie. Jednak, aby napęd nie stracił swoich istotnych właściwości w terenie, Jeep Wagoneer został w kolejnej fazie dodatkowo wyposażony w napęd Quadtratrac. Podstawowa różnica tego mechanizmu to automatyczna szpera, dzięki której moc samoczynnie przekazywana była na oś dysponującą w danej chwili lepszą przyczepnością. Zostawiono jednak furtkę w przypadku znalezienia się w ekstremalnie trudniej sytuacji. Jeśli automatyczna szpera nie sprawdziła się, wówczas to kierowca z kabiny mógł całkowicie zablokować centralny dyferencjał i w ten sposób uzyskać klasyczny rozdział momentu na obie osie w stosunku 50/50.

Jednym z najbardziej wyrafinowanych napędów 4×4, mógł pochwalić się Mercedes Klasy G. Popularna „Gelenda” do obsługi napędu wykorzystuje trzy przełączalne mechanizmy różnicowe. W ten sposób zagwarantowany został w pełni napęd na wszystkie cztery koła. Nawet przy ekstremalnym ograniczeniu trakcji dwóch kół, na pozostałe zostaje przekazany odpowiednio wysoki moment obrotowy, który jest w stanie wyciągnąć samochód z bardzo grząskiego błota.

Quattro rewolucja

W kolejnych latach zauważalne były wszelakie modyfikacje napędu 4×4 z centralnym dyferencjałem. Jedną z ciekawych ewolucji opracowało Audi. Autorski mechanizm o nazwie quattro tego niemieckiego producenta, także wykorzystywał centralną szperę i był genialny w swojej prostocie. Modele Audi napędzane były silnikiem, który umieszczony był wzdłużnie przed przednią osią. Do tradycyjnego napędu na przednią oś dodano dyferencjał, wał kardana i napęd tylnej osi.

Początkowo Audi zdecydowało się dystrybuować moc na obie osie pojazdu po równo. W dzisiejszych czasach tendencje te nieco się zmieniły i coraz częściej wyjściowym punktem jest układ 40:60 na korzyść tylnej osi. Związane jest to przede wszystkim z określonymi właściwościami jezdnymi samochodów, na przykład bardziej precyzyjnym prowadzeniem.

Obecna technologia wspierana przez systemy elektroniczne wykształciła szereg innych układów sterujących siłą napędową obu osi. Wyróżnić można szperę płytkową, której działanie opiera się na pompie olejowej kontrolowanej zarówno hydraulicznie jak i elektronicznie. Elementami przenoszącymi moment obrotowy są płytki cierne, które łączą sprzęgłem osie w dyferencjale.

Torsen kontra Haldex

Jest także mechanizm różnicowy typu Torsen – czyli tzw. mechanizm ślimakowy. W swojej konstrukcji bardzo skomplikowany, ale uważany za jeden z najlepszych układów napędowych 4×4. W przypadku uślizgu jednej osi mechanika rozdziela siłę na osie z dużym wyczuciem, w zależności od aktualnej wartości momentu obrotowego. Takie rozwiązanie znalazło zastosowanie między innymi w samochodach marki Alfa Romeo czy Volkswagen.

Trzecią alternatywą jest szpera wiskotyczna. Tutaj największą rolę odgrywa wiskoza, rodzaj płynu, który podlega reakcji w zależności od różnic prędkości obu osi. W ten sposób szpera może się otwierać i zamykać, a element wiskotyczny pełni rolę dyferencjału. Kiedy następuje uślizg jednej z osi, element ten zamyka się i moment obrotowy automatycznie przekazywany zostaje na drugą oś. Mechanizm taki znaleźć można na przykład w niektórych modelach Lamborghini i Subaru.

Ten sam efekt, ale w inny sposób uzyskać można za pośrednictwem sprzęgła Haldex. W tym mechanizmie zastosowano mokre sprzęgło cierne, sterowane siłownikiem hydraulicznym, które w autach wyposażonych bazowo w napęd przedniej osi, w razie uślizgu automatycznie dołącza napęd na tył. Podstawową zaletą takiego rozwiązania jest szybki czas reakcji układu napędowego. Z Haldexa korzysta między innymi Skoda.

Jednym z najnowszych rozwiązań spełniających zadania centralnego dyferencjału jest system opracowany przez Land Rovera o nazwie Terrain-Response. System rozdziela moc w zależności od rodzaju podłoża oraz monitoruje pracę silnika, dokonuje regulacji skrzyni biegów, centralnego układu różnicowego i podwozia, aby sprostać wymaganiom terenu. Kierowca musi jedynie wybrać odpowiednią ikonę na pokrętle wewnątrz samochodu, a cała wiedza z dziedziny jazdy terenowej zostanie wykonana przez komputer.