Bentornato a Gearhead 101 , una serie sulle nozioni di base su come funzionano le auto per i neofiti automobilistici.
Nel nostro ultimo primer, abbiamo discusso le basi della trasmissione. La trasmissione è costituita da una serie di parti che trasferiscono la potenza di rotazione prodotta dal motore dell'auto alle ruote dell'auto per far muovere il veicolo. Sulla maggior parte delle auto, note come auto a due ruote motrici (2WD), la trasmissione trasferisce la potenza solo a due ruote:le due ruote posteriori (ovvero la trazione posteriore) o le due ruote anteriori (ovvero la trazione anteriore). Il movimento di queste due ruote fa muovere l'auto e le altre ruote a turno.
Per la maggior parte dei veicoli e nella maggior parte delle condizioni di guida, avere solo due ruote per spostare la tua auto è tutto ciò di cui hai bisogno. Ma quando la tua superficie di guida è innevata o è costituita da sabbia e ghiaia, è utile che tutte le ruote funzionino insieme per dare alla tua auto una trazione extra e spostarla sul terreno.
Entra in quattro ruote motrici. 4WD in breve.
4WD è un tipo di sistema di trasmissione che, come suggerisce il nome, trasferisce la potenza del motore a tutte e quattro le ruote. Vedete 4WD principalmente su camion e SUV.
Anche se probabilmente hai sentito parlare di 4WD molte volte e hai un'idea confusa di ciò che fa per la tua auto, ci sono buone probabilità che tu non lo sappia realmente sapere cosa significa o come funziona. Quindi, nel Gearhead 101 di oggi, discuteremo le basi del sistema di trasmissione 4WD, compresi i suoi vantaggi e come funziona. Il nostro obiettivo per questo articolo sarà 4WD part-time perché è il tipo più comune di 4WD che vedi là fuori. La prossima volta daremo un'occhiata alla 4WD a tempo pieno.
Questo può essere piuttosto difficile da capire. Quindi sposta il tuo cervello su 4WD e iniziamo.
Prima di entrare nello specifico di come funziona la 4WD, dobbiamo capire perché vorresti che il motore alimentasse tutte e quattro le ruote della tua auto in primo luogo.
Come abbiamo discusso nella nostra puntata Gearhead 101 su come funziona il motore di un'auto, il tuo motore produce potenza di rotazione chiamata coppia. La trasmissione (composta da trasmissione, albero di trasmissione e differenziale) trasferisce la coppia del motore alle ruote. L'applicazione della coppia alle ruote è ciò che fa andare la tua auto.
Ma per ottenere la coppia che è stata trasferita alle ruote per muovere effettivamente il veicolo, i tuoi pneumatici devono avere trazione su strada. Senza trazione degli pneumatici, puoi applicare tutta la potenza che desideri alle tue ruote e continuare a non andare da nessuna parte. Le tue gomme gireranno molto velocemente mentre la tua auto rimarrà nello stesso posto. Questa rotazione inefficace del pneumatico è chiamata spostamento delle ruote . Probabilmente hai sperimentato lo slittamento delle ruote quando hai cercato di sbloccare la tua auto dalla neve o dal fango.
Quindi la trazione è ciò che trasforma la coppia del motore nel movimento del veicolo. Sì, questo è estremamente semplificato (potremmo entrare nei dettagli del ruolo dell'attrito nella trazione, ma non lo faremo), ma questa è una buona definizione di lavoro.
Ciò che fa la 4WD aumenta le possibilità di ottenere trazione quando guidi su superfici rischiose. Invece di fare affidamento solo su due ruote motrici per la trazione (2WD), hai quattro ruote mobili che potrebbero eventualmente ottenere una buona trazione per mantenere l'auto in movimento.
Ad esempio, supponiamo che tu sia in un veicolo 2WD a trazione posteriore e le ruote posteriori siano nel fango mentre le ruote anteriori sono su terreno asciutto. Poiché c'è meno trazione nel fango, è probabile che le tue ruote posteriori ruotino e ruotino mentre la tua auto rimane ferma. Sarebbe bello che quelle ruote anteriori girassero, coefficiente, perché è lì che c'è la trazione.
Questo è ciò che fa l'unità 4WD.
Se ti trovi in un veicolo a 4 ruote motrici nella stessa situazione, le ruote anteriori che si trovano sulla superficie di trazione elevata riceveranno potenza dal motore e quindi saranno in grado di spingere in avanti la tua auto.
La trazione 4WD è un po' più complicata di quella che ho appena descritto sopra e approfondiremo alcune di queste sfumature di seguito, ma il grande vantaggio è che la maggiore trazione complessiva è un grande vantaggio della 4WD.
L'aumento della potenza è un altro vantaggio.
Se sei fuoristrada su una ripida collina o stai cercando di superare gli ostacoli (come vedi in questo video), non solo vorrai più trazione, ma anche più potenza inviata alle tue ruote. 4WD può fornirlo.
La maggior parte dei veicoli 4WD offre la possibilità di passare tra due gamme di 4WD:Hi o Lo. 4WD-Hi consente al tuo veicolo di azionare tutte e quattro le ruote mentre avanza veloce su terreni accidentati, come una ghiaia o una strada innevata. C'è solo meno potenza inviata alle ruote.
Se hai bisogno di più grinta per superare un ostacolo, passerai a 4WD-Lo. Dà più potenza alle tue ruote, ma le muove a una velocità inferiore permettendoti di superare quel blocco stradale semplicemente passandoci sopra.
Ora che sappiamo perché 4WD potrebbe tornare utile, entriamo nel nocciolo di come funziona.
Il 4WD part-time è un sistema veicolare che consente al conducente di accendere il 4WD solo quando necessario. Su superfici di guida regolari senza la 4WD inserita, funziona proprio come un veicolo 2WD a trazione posteriore. Uno dei grandi vantaggi dei veicoli 4WD part-time è il maggiore risparmio di carburante. Alimentare tutte e quattro le ruote richiede più carburante che alimentarne solo due. Quindi puoi risparmiare un po' di soldi sul gas usando la 4WD solo quando ne hai bisogno.
Per far muovere le ruote anteriori e posteriori contemporaneamente quando è innestata la 4WD, i veicoli 4WD part-time utilizzano una scatola di trasferimento, un albero di trasmissione anteriore separato (oltre all'albero di trasmissione posteriore), un differenziale anteriore e posteriore e un bloccaggio mozzi. Diamo un'occhiata a queste diverse parti una per una.
Caso di trasferimento
Senza un caso di trasferimento, il tuo veicolo 4WD part-time sarebbe un veicolo 2WD.
La scatola di trasferimento (chiamata anche scatola a T) è ciò che divide la potenza dal motore 50/50 agli assi posteriore e anteriore tramite gli alberi di trasmissione anteriore e posteriore. Il trasferimento di solito si trova proprio dietro la trasmissione nella trasmissione. 
Il rosso indica il flusso di potenza dal motore
Nei veicoli 4WD part-time, quando la 4WD non è inserita, le ruote posteriori ottengono il 100% della coppia dal motore, proprio come un veicolo 2WD. Il flusso di potenza in questo scenario è simile a questo:la potenza prodotta dal motore va alla trasmissione. Da lì va a un albero di uscita e quindi alla scatola di trasferimento. All'interno della scatola di trasferimento, l'albero di uscita è collegato all'albero di trasmissione posteriore. L'albero di trasmissione posteriore trasmette quindi la coppia al differenziale posteriore. Il differenziale posteriore fa quindi girare le ruote facendo muovere l'auto.
Bene. Quindi, come fa la scatola di trasferimento a trasferire la potenza alle ruote anteriori quando la 4WD è fidanzati?
All'interno della scatola di trasferimento c'è una serie di ingranaggi e catene. Quando la 4WD è innestata, gli ingranaggi si ingranano tra loro provocando il movimento di una catena di un ingranaggio collegato all'albero di trasmissione anteriore. L'albero di trasmissione anteriore inizia a girare alla stessa velocità dell'albero di trasmissione posteriore e fornisce coppia al differenziale anteriore, che quindi trasmette la coppia alle ruote anteriori. Boom. 4WD.
Se sei ancora un po' confuso, questo diagramma ti darà una visione d'insieme del ruolo della scatola di trasferimento nell'erogazione della coppia del motore sia all'assale anteriore che a quello posteriore.
Oltre alle marce che sincronizzano gli alberi di trasmissione anteriore e posteriore, le scatole di trasferimento sulla maggior parte dei sistemi 4WD part-time hanno set di ingranaggi che consentono al veicolo di passare a una gamma bassa quando in 4WD. Come accennato in precedenza, ciò consente al veicolo di fornire una coppia (potenza) aggiuntiva sia alle ruote anteriori che a quelle posteriori. Tuttavia, ottieni quella potenza extra a scapito della velocità. Quando in 4WD Lo, il tuo veicolo può arrivare solo fino a 15 mph.
Albero di trasmissione anteriore
Poiché i veicoli 4WD inviano anche la potenza del motore alle ruote anteriori, per farlo è necessario un albero di trasmissione anteriore. L'albero di trasmissione anteriore collega la scatola di trasferimento al differenziale anteriore. Quando la trazione integrale è innestata, la scatola di trasferimento divide la coppia 50/50 tra gli alberi di trasmissione anteriore e posteriore. L'albero di trasmissione anteriore gira alla stessa velocità dell'albero di trasmissione posteriore, trasferendo la coppia al differenziale anteriore. Il differenziale anteriore trasferisce quindi quella potenza alle ruote anteriori tramite i semiassi.
Differenziali
Abbiamo parlato dei differenziali nel nostro articolo sulle basi della trasmissione. Sui veicoli 2WD, un singolo il differenziale si trova al centro dell'asse anteriore o posteriore (a seconda che l'auto sia a trazione anteriore o posteriore). La potenza dell'albero di trasmissione viene trasferita attraverso il differenziale a ciascuna ruota, facendole girare. Su un veicolo a 4 ruote motrici, poiché tutte e quattro le ruote sono alimentate, ne servono due differenziali:uno per l'asse anteriore e uno per l'asse posteriore.
Ma il differenziale non è solo un trasmettitore di potenza. Il motivo per cui è chiamato "differenziale" è che gli ingranaggi al suo interno consentono alle ruote di un singolo asse di muoversi a diversi velocità. Probabilmente stai pensando:"Quando le mie ruote si muoverebbero a velocità diverse?" Bene, un'istanza comune è ogni volta che giri l'angolo. Quando fai una svolta a destra, la tua ruota interna (la ruota destra) percorre una distanza inferiore rispetto alla ruota esterna (ruota sinistra). Per stare al passo con la ruota interna, la ruota esterna deve girare leggermente più velocemente. Il differenziale lo rende possibile. Se ci fosse una solida connessione tra entrambe le ruote, il pneumatico interno dovrebbe slittare o saltare per consentire all'asse di continuare a muoversi. Per una dimostrazione video di come funziona un differenziale, guarda questo:
I differenziali anteriore e posteriore su un veicolo a 4 ruote motrici consentono alle ruote destra e sinistra di ciascun rispettivo asse di muoversi a velocità diverse in modo che l'auto eviti di saltare o sbandare le ruote durante una svolta.
Sembra abbastanza facile, ma i differenziali su un veicolo 4WD part-time possono diventare sorprendentemente complessi a seconda di quanta trazione desideri. Inoltre, se le ruote girano a velocità diverse (grazie ai differenziali), in realtà non è vero 4 ruote motrici. Sì, lo so che è confuso. Lo chiariremo qui tra un po'.
Ma, prima, parliamo dell'ultimo componente che rende possibile la 4WD:i mozzi di bloccaggio.
Blocco hub
Sul tuo veicolo 2WD, le ruote posteriori della tua auto sono imbullonate a un mozzo. Ciò consente all'asse di girare le ruote quando è alimentato dal motore. Le ruote anteriori girano liberamente.
Ma quando la 4WD è inserita su un veicolo 4WD part-time, vogliamo che le ruote anteriori siano collegate al mozzo in modo che la potenza del motore possa essere trasferita loro. Come risolvi questo problema di aver bisogno delle ruote anteriori imbullonate all'asse anteriore quando sei in 4WD, ma non imbullonate quando sei in 2WD?
Mozzi di bloccaggio.
La maggior parte dei veicoli 4WD part-time ha mozzi di bloccaggio sulle ruote anteriori. Quando la 4WD non è inserita, i mozzi di bloccaggio disconnettono l'asse. Girano liberamente e le ruote posteriori dell'auto fanno tutto il lavoro di spostamento del veicolo. Quando la trazione integrale è innestata, i mozzi di bloccaggio si bloccano nelle ruote anteriori sull'asse anteriore consentendo loro di ottenere la coppia dal motore. 
Mozzo di bloccaggio manuale
Sui vecchi veicoli 4WD, i mozzi di bloccaggio manuali erano standard. Dovresti uscire dal tuo veicolo e girare una manopola sulle ruote anteriori fino a quando i mozzi non sono stati bloccati. Sui veicoli 4WD più recenti, i mozzi di bloccaggio si innestano automaticamente con la semplice pressione di un pulsante.
Bene, torniamo al problema che ho sollevato in precedenza relativo ai differenziali e alla trazione 4WD, e perché avere le ruote che girano a velocità diverse su un veicolo 4WD non è vero 4WD.
Ricorda, il principale vantaggio della 4WD è una maggiore trazione su superfici a bassa trazione. Hai più ruote che forniscono potenza contro la strada, il che aumenta le possibilità che una ruota colpisca un punto ad alta trazione e mantenga l'auto in movimento.
Ma il modo in cui funziona il tipo più comune di differenziale utilizzato nei veicoli (il differenziale aperto) può eliminare completamente le capacità di miglioramento della trazione della 4WD anche se tutte e quattro le ruote sono alimentate dal motore. Diamo un'occhiata a questo problema, così come alle possibili soluzioni.
I differenziali aperti sono ottimi in condizioni di guida normali. Ma a causa del modo in cui dividono la potenza tra le due ruote, diventano un problema in condizioni di guida a bassa trazione. Vedete, invece di dividere la potenza in modo uniforme tra entrambe le ruote, un differenziale aperto distribuisce la potenza su di esse seguendo un percorso di minor resistenza . Questo è terribile per la trazione.
Perché?
Esploriamolo su un veicolo a 2 ruote motrici perché probabilmente l'hai sperimentato.
Diciamo che stai cercando di guidare la tua auto 2WD a trazione posteriore su per il tuo vialetto innevato. Il lato sinistro è coperto di neve, ma il lato destro è asfalto asciutto. Penseresti che questo non sarebbe un problema perché la tua ruota posteriore destra ha molta trazione sulla pavimentazione asciutta per far avanzare l'auto. Ma ti sbaglieresti.
In un'auto con differenziale aperto, la ruota posteriore destra non ne avrà nessuna potenza. Ricorda, i differenziali aperti distribuiscono la potenza sull'asse seguendo il percorso di minor resistenza . E in questa situazione, la ruota con la minore resistenza è la ruota che guida sulla neve:la ruota sinistra. Quindi tutta la coppia verrà inviata alla ruota sinistra. But because there’s no traction there, it just spins and spins, while leaving your car stationary.
This same thing happens on 4WD vehicles that utilize open differentials on the front and rear axles. Let’s use the same snowy driveway scenario. You’ve got 4WD engaged so you can make it up the snowy driveway. The transfer case is sending an equal amount of power to the front and rear differentials. You think to yourself “That snow on the left side shouldn’t be a problem at all! I’ve got plenty of traction on the right side and I’ve got both right wheels moving!”
But the differentials on your 4WD are open differentials. And open differentials distribute power across the axle following the path of least resistance. The snow-covered left side has the least amount of resistance. Guess what happens?
All the power goes to the left wheels, causing them to spin in place while your right wheels just sit there like a bunch of lugs leaving your vehicle at the bottom of the driveway. Your 4WD was made impotent by your open differentials.
Never fear. There are solutions to this problem. One is to replace the open differentials with limited slip differentials. The second is to replace the open differential with a locking differential on the front or rear axle (or for even more traction, both).
Let’s take a look at each of these solutions.
Limited slip differentials (LSDs) work a lot like open differentials. The difference is instead of sending all the torque to the wheel with the least amount of traction (like with open differentials), LSDs send some of the power to the wheel that actually has traction. It does this automatically, without any input from the driver.
So let’s revisit our snowy driveway scenario, now with LSDs on both the front and rear axles. You’ve got the 4WD engaged. The transfer case is sending an equal amount of power to the front and rear LSDs. The left wheels hit the snowy part. Instead of all the power going to the left side — like would happen if you had open differentials — the LSDs send some of the power to the right wheels that have more traction, allowing your car to move forward.
Limited slip differentials definitely improve traction compared to open differentials. For most 4WD scenarios, LSDs are all you need for adequate traction. But LSDs still don’t provide optimal traction because some of the power is still going to the wheels with less traction. There’s still a chance of wheel slip.
The other downside of LSD is that traction is unpredictable with them. The LSD sends power to the wheel with less traction, but the power isn’t supplied continuously. It’s re-routed to the other wheel as the gripping wheel begins to slip. This can cause the vehicle to pull to one side when traction is reduced. Basically, it can cause a bumpy and uneven ride.
Locking differentials takes things to another level by forcing each wheel on an axle to get the same amount of power, no matter the traction differences on each wheel. This gives a wheel that may have more traction a better chance of moving the car in a low traction situation.
Locking differentials are usually driver engaged, but there are 4WD vehicles that have auto-locking differentials.
Depending on the vehicle, a locking differential can be just on the rear axle with an open or limited slip differential on the front or you could have locking differentials on both the front and rear axles.
A 4WD vehicle that has two locking differentials provides true 4WD — all four wheels turn with the same amount of power no matter the situation. Even if the wheels on one side of your vehicle are completely off the ground, the wheels that are still on the ground will still continue to get a steady amount of torque.
Dual locking differentials are typically only used on 4WD vehicles that do extreme off-roading like driving over boulders and what not. For most average folks, just having 4WD that has LSDs on both the front and rear axles or a rear-locking differential with a front LSD will be enough.
This video gives great examples of what traction on a 4WD looks like with open differentials, limited slip differentials, and locking differentials:
Driving with 4WD takes some know-how. It should only be used when you’re facing low-traction driving situations. If you use it when traction is great (like on dry pavement), your overland adventure will be cut short by a detour to the mechanic.
To understand why this is so, you need to understand the battle that’s going on between the left and right wheels as well as between the front and rear wheels when making a turn. 
When a car turns, each wheel has to travel a different distance to make the turn.
As we discussed earlier, when a car is making a turn, the outside wheel has to go further than the inside wheel. To keep up with the inside wheel, the outside wheel must spin slightly faster. The open and limited slip differential makes this possible.
However, if the two wheels were locked and moving at the same speed together (like what happens when you engage a locking differential), the inside tire would need to skid or skip in order for the axle to keep moving. This isn’t a problem on dirt or snow covered roads. There’s less traction in these driving situations, so tires can slide without experiencing too much wear or tear.
It becomes a problem when you try to make a similar turn on dry pavement with the differential locked. Remember, the outside wheel wants to go fast to keep up with the inside wheel, but because it’s locked with the inside wheel, it can’t. To keep up, it has to skid, but because there’s a lot of traction on pavement, this skidding chews the crap out of your outside tire. That hard skidding on pavement also places a great deal of stress on your axle shafts.
So 4WD driving takeaway #1:If your 4WD vehicle has an option to lock one or both of your differentials, never do it on dry pavement. You’ll just wear out your tires and possibly damage your axles.
When you’re making a turn, there’s also a battle going on between your front and rear wheels. The wheels on the front axle have to travel a longer distance than the rear wheels. To keep up with the rear wheels during a turn, the front wheels must spin slightly faster. If they don’t, the rear wheels will need to be able to skid and slide in order for the axle shafts to keep moving.
This isn’t a problem with 2WD vehicles because the non-driving axle allows the front wheels to freely spin faster than the rear wheels. Turning becomes a problem when you engage 4WD.
As you recall, when you engage 4WD, the transfer case locks the front and rear drive shafts together. They send the same amount of power, or RPM, to the front and rear differentials. Forcing the front and rear drivetrains to work together like this creates a battle between the two when you’re making a turn with 4WD engaged. The front wheels need to go faster to keep up with the rear wheels, but the transfer case and front drive shaft are telling the front wheels to go the same speed as the rear wheels. This creates tension between them.
One way to relieve this tension is to let the rear tires slip and slide a bit. And that’s what happens in low traction situations like dirt or snow because they provide the needed “give” to allow your front wheels to slip and slide when making a turn.
But when your 4WD vehicle is making a turn on dry pavement with lots of traction, that “give” doesn’t exist. The tires can’t slip and slide. So this creates a tug-of-war between the front wheels and the front drivetrain. When making a turn the front wheels are forced by good traction and geometry to rotate faster than the rear wheels. But the front drive shaft is delivering the same RPM as the rear drive shaft is to the rear wheels. The front drive shaft is basically telling the front wheels “Hey! Go the same speed as everyone else!” while the front wheels themselves are saying “Nope!”
Imagine a bar that’s connected to a rotating gear at each end. The gears spin the bar in the same direction, but one end is spinning it at a faster speed than the other. That’s basically what’s happening between your wheels and front driveshaft. 
A visual of what happens to your front drivetrain whenever you make a turn on pavement with the 4WD engaged.
This battle between the front wheels and the front drive shaft stresses all the parts on the front drive train, from the axles to the transfer case. Gears along the front drivetrain and in the transfer case start binding and jamming together. This is called “drivetrain binding” or “wind-up” and it can seriously jack up your 4WD drivetrain.
You’ll know you’ve got a case of drivetrain binding if the car is jerking around a lot when you’re driving, and if it’s impossible to disengage the 4WD and shift back to 2WD. You can sometimes “unwind” your drivetrain wind-up by slowly driving backwards, but it doesn’t work all the time. If you made a particularly fast turn in 4WD on dry pavement, the tension it causes can cause the weakest links in your front drive train to break — u-joints, differential gears, transfer case gears, drive shafts, etc.
Lest you think you can get away with driving in 4WD on pavement, but just go straight, take heed. Different tire pressures on your wheels can also cause this wind-up even when driving straight on pavement in 4WD. Take a look at what happened to this guy’s transfer case after accidently driving straight in 4WD on the freeway.
So 4WD driving takeaway #2:Never engage your 4WD on dry pavement. You’ll just jack-up your drivetrain.
Well, there you go. A primer on how part-time 4WD works. I hope it was helpful. Even if you never purchase a 4WD vehicle, you’ll at least know what people are talking about next time 4x4s come up in conversation. In our next edition of Gearhead 101, we take a look at how full-time 4WD, as well as AWD, works.
