Autor: Zdzisław Podbielski
Źródło: Młody Technik 5/1985 <http://www.mt.com.pl>
W przedni napęd wyposażono pierwszy samochód świata. Zasłużył na to miano,
zdaniem historyków motoryzacji, ciężki 3-tonowy pojazd, który zbudował w
1769 r. oficer artylerii francuskiej Mikołaj Józef Cugnot. Przednie koło (z
przodu było tylko jedno koło) napędzała para z kotła umieszczonego na
przedzie pojazdu i poruszająca dwa tłoki. Ten pierwszy pojazd nie był
oczywiście samochodem osobowym, lecz ciągnikiem artyleryjskim. W
samochodach ciężarowych i ciągnikach drogowych przedni napęd nie znalazł
szerszego zastosowania z wyjątkiem pojazdów mających wszystkie koła
napędowe.
Przedni napęd w samochodach cieszył się uznaniem w latach trzydziestych
naszego wieku, zwłaszcza w niemieckim i francuskim przemyśle
motoryzacyjnym.
Pierwsze seryjne samochody z napędem przednim.
Przedni napęd stosowano w samochodach osobowych już wcześniej, lecz
największą popularność uzyskały niemieckie samochody marki DKW, budowane
seryjnie od 1931 r. Pojazdy te oznaczone FA 600 (F1), miały małe,
2--osobowe nadwozia długości 3,1 metra i wyposażone były w ustawione
poprzecznie, dwusuwowe, dwucylindrowe silniki o pojemności 584 cm3,
rozwijające moc 11 kW (15 KM-DIN) przy 3500 obr./min. Popularne DKW,
oznaczone kolejno F2, F4, F5, F7 i F8, znane były
również w Polsce. Od 1931 do 1942 r. wyprodukowano łącznie 218 000 tych
samochodów. Po wojnie produkcję DKW-ek podjęto w NRD, gdzie produkowano
znane u nas samochody IFA F8 i F9, które były bezpośrednimi poprzednikami
obecnie budowanych Trabantów i Wartburgów. W RFN podjęto również produkcję
wozów DKW z poprzecznie umieszczonymi silnikami napędzającymi koła
przednie. Wytwarzano je od 1950 roku, a w latach 1958 - 1968 sprzedawano
pod marką Auto-Union.
We Francji w 1934 roku uruchomiono produkcję seryjną samochodu Citroen 7A,
wyposażonego w przedni napęd. Konstrukcja tego samochodu była na owe czasy
rewelacyjna. Oprócz przedniego układu napędowego samochód miał wiele innych
ciekawych rozwiązań konstrukcyjnych. Niezwykły był już jego wygląd: niskie
nadwozie z odstającymi błotnikami i duży rozstaw kół. Do metalowego
nadwozia, o mocnej samonośnej konstrukcji, bezpośrednio mocowano
zawieszenie kół jezdnych. Citroen 7A zdobył sobie wielką popularność i był
produkowany wraz z odmianami 11 CV i 15 CV aż do 1957 r. Jeździli nim
francuscy mężowie stanu, jak np. generał prezydent Francji Charles de
Gaulle i polityk, premier a w latach 1955-56 minister spraw zagranicznych
Antoine Pinay. Wozy te używane były również
przez polskich dostojników i służbę bezpieczeństwa w latach czterdziestych
i pięćdziesiątych. Przednionapędowe Citroeny miały doskonałą stabilność w
ruchu, dobrą dynamikę, a przy tym zapewniały duży komfort jazdy.
Kolejnym samochodem firmy Citroen, który przyczynił się do dalszego
rozpowszechnienia przedniego napędu był model 2 CV, produkowany seryjnie od
1949 roku. Samochód ten skonstruowany w wersji popularnej, a więc z
zamierzonymi uproszczeniami technicznymi nadwozia, uzyskał miano
"najbrzydszego samochodu świata", ale jednocześnie był bardzo poszukiwany.
Główne zalety
2 CV to: prosta konstrukcja, nie wymagająca częstej obsługi, małe zużycie
paliwa przez 2-cylindrowy chłodzony powietrzem silnik oraz duża przestrzeń
użyteczna i wysoki komfort jazdy.
Oba pojazdy Citroen model 7A oraz 2CV, były podstawowymi konstrukcjami dla
rozwoju produkcji innych modeli. Pierwszy z nich dał początek rodzinie
słynnych wozów DS i CX, a drugi modelom: Dyane, Ami, Mehari, GS i Visa.
Trzeba przy tym podkreślić, że Citroen 2 CV jest nadal produkowany w nie
zmienionej formie i ma wielkie uznanie u nabywców.
Wśród pierwszych seryjnie budowanych samochodów z przednim napędem były
również pojazdy amerykańskiej firmy Cord. Produkowane w latach
trzydziestych Cordy, w przeciwieństwie do europejskich pojazdów DKW i
Citroen, były dużymi, luksusowymi wozami, wyposażonymi w ośmiocylindrowe
widlaste silniki o pojemności skokowej ponad 5 litrów.
Podjęcie produkcji samochodów z przednim napędem wiązało się ściśle z
opracowaniem przez dwóch inżynierów francuskich Pierre Fenaille'a i Jean
Gregoire'a przegubów synchronicznych półosi napędowych, które zastosowane
zostały po raz pierwszy w samochodzie Tracta w 1927 roku. Samochody Tracta
były budowane w niewielkiej liczbie, jednak zapoczątkowały produkcję
seryjną innych pojazdów z napędem na koła przednie, przede wszystkim
wymienionych wyżej DKW i Citroen.
Angielskie przeguby zwyciężają
Po drugiej wojnie światowej samochody z przednim napędem produkowało
zaledwie kilka firm, m.in. niemieckie DKW i IFA, francuska Citroen oraz
szwedzka SAAB. Przyczyną powolnego rozwoju samochodów z takim napędem była
niska trwałość używanych przegubów. Dopiero pod koniec lat pięćdziesiątych,
kiedy angielska wytwórnia Hardy Spicer Ltd. wchodząca w skład wielkiej
firmy GKN Birfield Transmissions Limited) wprowadziła na rynek udoskonalone
przeguby równobieżne, ruszyła z miejsca produkcja samochodów z przednim
napędem. Angielskie przeguby nazwane Birfield są modyfikacją poprzednio
stosowanych przegubów kulowych typu Rzeppa. Ponieważ modyfikacja przegubu
Rzeppa sprowadzona została praktycznie do udoskonalenia wewnętrznych bieżni
prowadnic przy zachowaniu ogólnej zasady budowy, udoskonalony przegub nosi
nazwę Birfield-Rzepp. Przeguby te przy małych wymiarach zewnętrznych
odznaczają się dużą wytrzymałością i mogą przenosić znaczne obciążenia
mechaniczne. Zalety przegubów Birfield-Rzepp sprawiły, że są one
powszechnie stosowane do przekazywania napędu na koła kierowane.
Przeguby Birfielda po raz pierwszy zastosowano w konstrukcji układu
przeniesienia napędu samochodu Mini Minor brytyjskiego koncernu British
Motor Corporation. Opracowany przez greckiego konstruktora A. Issigonisa,
zatrudnionego w angielskich zakładach, samochód Mini był rewelacją
światową. Wymiary zewnętrzne pojazdu były bardzo niewielkie: długość
całkowita zaledwie 3,05 m, a więc mniej niż naszego Polskiego Fiata 126p.
Przy tych minimalnych wymiarach zewnętrznych brytyjski Mini był samochodem
4-oso-bowym, o wygodnym wnętrzu, mającym bagażnik z tyłu. Do napędu Mini
zastosowano nie jakiś tam mini silnik jedno-lub dwucylindrowy, chłodzony
powietrzem, ale "normalny" czterocylindrowy, czterosuwowy silnik chłodzony
cieczą. Było to możliwe dlatego, że silnik połączono ze sprzęgłem, skrzynią
biegów i przekładnią główną w jeden blok napędowy i umieszczono to wszystko
w poprzek samochodu, wyprowadzając napęd na przednie koła krótkimi
półośkami napędowymi zakończonymi przegubami typu Birfield-Rzepp. Cały
układ napędowy Mini zajmował zaledwie 20% objętości nadwozia. Dostrzeżono
więc ważną zaletę przedniego układu napędowego - przy jego zastosowaniu
można lepiej wykorzystać wnętrze samochodu. Samochód Mini produkowany był w
liczbie około 6 tysięcy sztuk tygodniowo. Od momentu rozpoczęcia produkcji
w 1959 roku do końca 1976 roku dostarczono ponad 4 miliony sztuk tych
pojazdów. Mini był budowany w Wielkiej Brytanii aż pod czterema markami
-Austin Seven, Morris Mini-Minor, Riley Elf i Wolseley Hornet.
Sport jest doskonałym poligonem doświadczalnym konstrukcji samochodu, a
sukces sportowy zapewnia marce popularność. Tak się stało z Mini.
Wyposażony w przygotowany przez firmę Cooper 4-cylindrowy silnik o
pojemności skokowej 1275 cm3 i mocy 55,2 kW/75 KM - DIN) przy 6000
obr./min. BMCMini trzykrotnie - w 1964, 1965 i 1967 -wygrywa jeden z
najtrudniejszych i prestiżowych rajdów samochodowych - zimowy Rajd Monte
Carlo. Na przerwanie ciągu sukcesów wpływ miały względy "pozasportowe" -
dyskwalifikacja / powodu nieprzepisowego oświetlenia zewnętrznego odebrała
zwycięstwo wozom BMC-Mini, które również w 1966 r. dojechały pierwsze do
Monte Carlo.
Przedni napęd zyskuje popularność
Od momentu zapoczątkowania seryjnej produkcji, a także w czasie zdobywania
kolejnych sukcesów sportowych przez samochody Mini pojawiło się coraz
więcej zwolenników przedniego napędu. W 1960 roku rozpoczęto produkcję
włoskiej Lancii Flavii, w 1961 r. pojawiły się dwa francuskie samochody -
Renault 4L i Citroen AM 6. W 1962 r. niemiecki Ford Taunus 12M otrzymał
przedni napęd, rok później BMC-1100 i Lancia Fulvia, a w 1964 r. - BMC-1800
i Autobianchi Primula. Dwa następne lata to dalszy rozwój samochodów z
przednim napędem. W roku 1965 rozpoczyna się produkcja takich samochodów,
jak Renault 16, Peugeot 204, Triumph 1300 i Auto-Union Audi. Wśród tych
samochodów znajduje się Renault 16, którego konstrukcja nadwozia łączy w
sobie cechy limuzyny i combi. Ten rodzaj nadwozia w latach następnych
rozpowszechnił się szeroko wśród wielu innych producentów, a budowę tego
typu uniwersalnych nadwozi umożliwia właśnie zastosowanie przedniego napędu
ze zwartym układem nie wychodzącym poza przednią partię samochodu. Można
więc obniżyć jego podłogę, w czym nie przeszkadza biegnący wzdłuż nadwozia
wał napędowy klasycznego układu napędowego, a także tylny układ napędowy,
który jest skutecznym hamulcem w budowaniu uniwersalnych nadwozi z dużą
przestrzenią bagażową.
Zastosowanie przedniego napędu umożliwia także lepsze rozłożenie obciążeń
na osie, co ma wpływ na polepszenie kierowalności samochodu i lepszą
sterowność na zakrętach.
W 1966 roku zmieniają zdanie ostatni przeciwnicy przedniego napędu. W
Stanach Zjednoczonych rozpoczęto produkcję dwóch samochodów: Oldsmobile
Tornado i Cadillac Eldorado. Wyposażono je najpierw w silniki rozwijające
moc 265 i 235 KM - SAE, a w 1968 r. otrzymały jeszcze większe źródła
napędu, 8-cylindrowe widlaste silniki o mocy 380 KM - SAE. Upada
argumentacja, że ze względu na przeguby półosi napędowych, które są i tak
narażone na przenoszenie dużych sił napędowych, działających pod zmiennymi
kątami, przedni napęd może być stosowany tylko w samochodach małych i
średnich.
Zalety przedniego napędu okazały się tak oczywiste, że firma Volkswagen
utrzymująca przez długie lata produkcję samochodu z tylnym układem
napędowym, nazywanego u nas "garbusem", postanowiła w lecie 1974 r.
wprowadzić do produkcji jego następcę - Volkswagen a Golfa, wyposażonego
już w przedni układ napędowy.
Z wprowadzeniem do produkcji samochodu z przednim napędem dłużej od
Volkswagena zwlekał Opel. Decyzja w przypadku firmy Opel nie była tak
pilna, gdyż dostarczane przez nią samochody miały klasyczny układ
rozmieszczenia elementów przeniesienia napędu, a więc znacznie
korzystniejszy niż napęd tylny Volkswagenów. Jednak w 1979 r. Opel
wprowadził do produkcji nowy samochód, model Kadett z przednim układem
napędowym. Można sądzić, że przyczyną wprowadzenia do
produkcji nowego Kadetta był zamiar dotrzymania kroku innym firmom, które
produkowały samochody przednionapędowe, samochody uznane za
najnowocześniejsze konstrukcyjnie, modne i najlepiej sprzedawane. Warto
dodać, że samochody klasy od l do 1,5 litra pojemności skokowej silnika,
takie jak np. Renault 5, Volkswagen Golf, Ford Fiesta i Escort, Chrysler
Horizon i Opel Kadett, mające przedni napęd - są najczęściej kupowanymi
wozami europejskimi.
O ile japońskie konstrukcje samochodów znane są z niewielkich wymiarów
nadwozia, to ciekawie rozwinęła się pod tym względem sytuacja w USA. Drugi
kryzys paliwowy, jaki miał miejsce w 1976 roku, zmusił producentów
amerykańskich do opracowania mniejszych, oszczędniejszych samochodów.
Opracowując nowe pojazdy konstruktorzy amerykańscy zdecydowali się na nowy
wybór koncepcji przedniego napędu.
Wskutek tej decyzji rozwinęła się wielkoseryjna produkcja
przednionapędowych samochodów marek: Buick, Chevrolet, Oldsmobile i
Pontiac, wchodzących w skład największego koncernu samochodowego świata -
General Motors.
W poprzek czy wzdłuż?
Produkowane współcześnie samochody osobowe z przednimi kołami napędowymi
tworzą dwie podstawowe grupy zależnie od kierunku umieszczenia silnika: w
jednej silnik umieszczony jest równolegle do osi podłużnej pojazdu, w
drugiej - prostopadle do osi podłużnej, czyli poprzecznie do kierunku
jazdy.
Z przeprowadzonych analiz porównawczych wynika, że kierunek umieszczenia
silnika-poprzecznie lub wzdłużnie, w samochodach z przednim napędem ma
bezpośredni związek z wielkością nadwozia. W samochodach małych, o długości
nadwozia do około 4 m, stosowany jest poprzeczny układ silnika, natomiast w
samochodach większych, powyżej tej długości nadwozia, stosuje się silnik
umieszczony wzdłużnie. Ponieważ tych mniejszych samochodów produkuje się
więcej, są to samochody nazywane popularnymi, a będące podstawowymi
pojazdami w wielu zmotoryzowanych krajach, jak np. Włochy (Fiat 127, Fiat
Ritmo), Republika Federalna Niemiec (Volkswagen Golf, Audi Polo, Opel
Kadett, Ford Fiesta i Escort), Wielka Brytania (wozy koncernu Leyland: Mini
Metro, Austin i Morris 1100, a także Fordy Fiesta i Escort) i Niemiecka
Republika Demokratyczna (Trabant).
Rozwiązania konstrukcyjne zastosowane w poprzednim układzie napędowym z
silnikiem umieszczonym poprzecznie nie są jednakowe. Pomimo tego, że
wszystkie elementy układu napędowego; silnik, sprzęgło, skrzynia biegów
i koło napędzające przekładni głównej (które spełnia taką samą rolę jak
wałek atakujący przekładni głównej w klasycznym układzie elementów
napędowych), umieszczone są poprzecznie, to ich wzajemne rozmieszczenie
jest różne.
Różna więc jest konstrukcja przede wszystkim skrzyni biegów.
Wśród zastosowanych układów przednionapędowych można wyodrębnić sześć
podstawowych rozwiązań:
1. Silnik we wspólnej obudowie ze skrzynią biegów i przekładnią główną,
wspólny układ smarowania.
Napęd z silnika przekazywany przez 3 koła zębate pośrednie do skrzyni
biegów. Skrzynia biegów 3-wałkowa, umieszczona za silnikiem. Półosie
napędowe jednakowej długości. Przykłady zastosowania takiego układu
elementów: samochody British Leyland-Mini, Allegro, Maxi, Proncess.
2. Silnik w oddzielnej obudowie i oddzielny układ smarowania silnika i
skrzyni biegów. Napęd z silnika przekazywany jest przez 3 koła zębate
pośrednie na 2-wałkową skrzynię biegów umieszczoną za silnikiem. Półosie
napędowe jednakowej długości. Przykład: Datsun Cherry.
3. Silnik pochylony do tyłu we wspólnej obudowie ze skrzynią biegów,
wspólne smarowanie. Trzy koła pośrednie zębate przekazują napęd na
2-wałkową skrzynię biegów, umieszczoną za silnikiem. Półosie napędowe
jednakowej długości. Przykłady: Peugeot 104, Renault 14.
4. Wspólna obudowa silnika ze skrzynią biegów, wspólne smarowanie. Napęd od
silnika na 2-wałkową skrzynię biegów umieszczoną za silnikiem, przekazywany
za pośrednictwem dwóch kół zębatych. Półosie napędowe jednakowej długości.
Przykłady: Peugeot 304 i 305.
5. Skrzynia biegów 2-wałkowa na końcu wału korbowego silnika z lewej strony
pojazdu. Półosie napędowe nierównej długości. Przykłady zastosowania:
Autobianchi A112, Fiat 127, Fiat 128, Fiat Ritmo, Lancia Delta, wozy
Volkswagena: Polo, Derby, Golf, Jetta i Scirocco, Ford Fiesta, Honda Civic,
Honda Accord i Prelude, Chevrolet Citation, Buick Skylark, Pontiac Phoenix,
Oldsmobile Omega, Opel Kadett, Simca 1100, Talbot Horizon, Zastawa 1100,
Trabant.
6. Skrzynia biegów 2-wałkowa na końcu wału korbowego silnika, z lewej
strony pojazdu. Półosie napędowe równej długości, połączone środkowym
wałkiem pośrednim. Przykłady zastosowania: Citroen CX, Ford Fiesta 1,3;
Lancia Beta.
Najbardziej rozpowszechniło się rozwiązanie układu napędowego podane w
punkcie 5. Rozwiązanie to zapoczątkowane zostało w 1964 roku przez włoski
samochód Autobianchi Primula. Jest ono chętnie stosowane głównie z dwóch
powodów: umożliwia obniżenie zamontowania silnika w pojeździe oraz
zmniejszenie hałasu pracujących elementów układu przeniesienia napędu.
Zamontować niżej silnik w samochodzie można tutaj dlatego, że skrzynia
biegów znajduje się obok silnika, a nie pod nim. Niskie umieszczenie
silnika umożliwia stylistom nadwoziowym poprowadzenie nisko linii przedniej
partii nadwozia. Samochód o małej wysokości, z pochyloną linią maski
silnika lepiej sobie radzi z pokonywaniem oporów powietrza w czasie jazdy,
a tym samym spala mniej paliwa. Zmniejszenie hałasu pracujących zespołów
uzyskano przez pominięcie zębatych kół pośrednich w przekazywaniu napędu z
silnika do skrzyni biegów.
Trudno jest o rozwiązania idealne, stąd i to ma także i wadę. Ze względu na
przesunięcie skrzyni biegów i przekładni głównej na jedną stronę, półosie
napędowe mają nierówną długość, co może powodować ściąganie pojazdu na
jedną stronę przy rozpędzaniu. Zjawisko to wynika z różnej sztywności
nierównych półosi. Wadę tę wyeliminowano w rozwiązaniu przedstawionym w
punkcie 6, wstawiając środkowy wałek pośredniczący w przekazywaniu napędu
na półoś prawą. W ten sposób wyrównano długość obydwu półosi napędowych.
Prócz
tego, rozwiązanie to wykazuje zalety poprzednio wymienionego rozwiązania
przekazywania napędu na koła przednie.
Przedni napęd więcej wymaga od kierowców
Konstrukcja współczesnych samochodów osobowych daje możność kierowcy
uzyskania dużych prędkości przy zachowaniu komfortu jazdy. Zachęca więc do
rozwijania maksymalnych prędkości. Nie zawsze jednak możliwość uzyskania
maksymalnej prędkości idzie w parze ze stabilnością pojazdu, szczególnie w
czasie jazdy po łuku. Na poprawne zachowanie się samochodu podczas jazdy po
łuku ma wpływ m.in. rodzaj zastosowanego ogumienia, a przede wszystkim
rozkład obciążeń na osie, a to z kolei zależy od umieszczenia elementów
układu napędowego. Określając charakterystykę prowadzenia sąmochodu po łuku
mówimy, że samochód jest nadsterowany lub podsterowany.
Najkorzystniej jest, gdy samochód wykazuje neutralną charakterystykę
prowadzenia. Uzyskuje się ją przy równomiernym rozłożeniu nacisków na osie
pojazdu. Najlepiej warunek ten spełniają samochody z silnikiem
"centralnym", umieszczonym pomiędzy dwiema osiami jezdnymi, oraz samochody
z dobrze rozmieszczonym klasycznym układem napędowym. Jednak, aby "dobrze"
rozmieścić elementy klasycznego układu napędowego, trzeba często uciekać
się do nietypowych bardzo oryginalnych rozwiązań. Zrobiła to w swoich
pojazdach znana włoska firma Alfa Romeo.
Modele samochodów tej firmy, Alfetta i Giuletta, mają umieszczony z przodu
silnik, natomiast sprzęgło, skrzynia biegów i przekładnia główna połączone
są razem i znajdują się przy tylnej osi pojazdu. Łącznikiem silnika z
elementami układu przeniesienia napędu jest dwuczęściowy wał napędowy.
Uzyskano w ten sposób bardzo korzystny rozkład obciążeń na dwie osie
pojazdu. W przypadku np. Alfetty obciążenie osi przedniej wynosi 51% i osi
tylnej 49% dla pojazdu bez obciążenia użytecznego, a z obciążeniem tylko
przez kierowcę: 50,5 i 49,5%. Ten równomierny rozkład obciążeń wpływa w
sposób wyczuwalny na prowadzenie samochodu, szczególnie przy większej
prędkości.
Tylny układ napędowy (z silnikiem umieszczonym z tyłu) pomimo niskich
kosztów produkcji jest coraz rzad2iej stosowany. Obciążenie elementami
napędowymi osi powoduje, że pojazd poruszający się po łuku "zarzuca tyłem".
Zwiększeniu prędkości na łuku towarzyszy zmniejszenie przyczepności tylnych
kół napędowych, następuje wychylenie samochodu na zewnętrzną stronę
zewnętrzną. Wprawny kierowca zmniejsza kąt skrętu przednich kół, a jeśli to
nie pomaga, przeciwdziała obróceniu się pojazdu, skręcając przekładnie koła
w przeciwnym niż zamierzony kierunek jazdy. Jest to technika jazdy tzw.
poślizgu kontrolowanego.
Inaczej zachowują się w ruchu pojazdy z przednim układem napędowym.
Dociążenie kierowanej osi przedniej powoduje, że trudniej jest wprowadzić
taki samochód w zakręt, co może powodować wystąpienie niebezpieczeństwa
utraty kierunku jazdy wyznaczonego granicami drogi, oczywiście przy dużej
prędkości jazdy.
Również trudniejsza do opanowania niż w przypadku pojazdów z tylnym napędem
jest technika jazdy po łuku samochodem z przednim napędem. Przy zwiększaniu
siły napędowej na przednie koła jezdne, łatwo zerwać przyczepność kół do
nawierzchni wtedy pomimo skręconych kół samochód nie reaguje na zmiany
kierunku jazdy - jedzie prosto. Nie można już wówczas zapobiegać poślizgowi
przednich kół napędowych, tak jak w przypadku samochodu z tylnym napędem.
Należy natychmiast zwalniać nacisk pedału przyspiesznika, co może
spowodować ponowne przywrócenie przyczepności kół do nawierzchni.
Jest to jednak manewr trudny, gdyż utrata przyczepności kół kierowanych
wiąże się zazwyczaj z utratą panowania kierowcy nad pojazdem.
Przy prowadzeniu samochodu z przednim napędem z dużą prędkością należy
pamiętać, zbliżając się do zakrętu drogi, że trzeba zawsze zmniejszyć
prędkość i nie zwiększać jej aż do chwili opuszczenia zakrętu.
Technika jazdy samochodem z napędem przednim na zakrętach wymaga od
kierowcy wielkiej rozwagi, powinni o tym pamiętać kierowcy Wartburgów i
Trabantów, Fiatów 127, Zastaw 1100 oraz Syreny.