Welkom terug bij Gearhead 101:een serie over de basisprincipes van hoe auto's werken voor nieuwelingen in de auto-industrie.
In onze laatste inleiding hebben we de basis van de aandrijflijn besproken. De aandrijflijn bestaat uit een reeks onderdelen die het door de motor van de auto geproduceerde rotatievermogen overdragen op de wielen van de auto om het voertuig te laten bewegen. Bij de meeste auto's, bekend als auto's met tweewielaandrijving (2WD), brengt de aandrijflijn het vermogen over op slechts twee wielen - ofwel de twee achterwielen (ook bekend als achterwielaandrijving) of de twee voorwielen (ook bekend als voorwielaandrijving). De beweging van deze twee wielen zorgt ervoor dat de auto in beweging komt, en de andere wielen op hun beurt.
Voor de meeste voertuigen en onder de meeste rijomstandigheden is slechts twee wielen nodig om uw auto te verplaatsen. Maar wanneer uw rijoppervlak bedekt is met sneeuw of uit los zand en grind bestaat, helpt het om alle wielen samen te laten werken om uw auto extra tractie te geven en hem over het terrein te verplaatsen.
Voer vierwielaandrijving in. 4WD in het kort.
4WD is een type aandrijflijnsysteem dat, zoals de naam al aangeeft, het motorvermogen overbrengt op alle vier de wielen. Je ziet 4WD vooral op vrachtwagens en SUV's.
Hoewel je waarschijnlijk al vaak over 4WD hebt gehoord en een vaag idee hebt van wat het voor je auto doet, is de kans groot dat je het niet echt weten wat het betekent of hoe het werkt. Dus in de Gearhead 101 van vandaag bespreken we de basisprincipes van het 4WD-aandrijfsysteem, inclusief de voordelen en hoe het werkt. Onze focus voor dit artikel zal parttime 4WD zijn, omdat dit het meest voorkomende type 4WD is dat je daar ziet. De volgende keer bekijken we fulltime 4WD.
Dit kan behoorlijk lastig zijn om te begrijpen. Dus verschuif je hersenen naar 4WD en laten we aan de slag gaan.
Voordat we ingaan op de details van hoe 4WD werkt, moeten we eerst begrijpen waarom u wilt dat de motor alle vier de wielen van uw auto aandrijft.
Zoals we hebben besproken in onze Gearhead 101-aflevering over hoe een automotor werkt, produceert uw motor rotatievermogen dat koppel wordt genoemd. De aandrijflijn (bestaande uit de transmissie, aandrijfas en differentieel) brengt het motorkoppel over op de wielen. Het toepassen van koppel op de wielen is wat uw auto doet rijden.
Maar om het koppel te krijgen dat op de wielen wordt overgebracht om het voertuig daadwerkelijk te verplaatsen, moeten uw banden grip op de weg hebben. Zonder bandentractie kun je zoveel kracht op je wielen uitoefenen als je wilt en toch nergens heen. Uw banden zullen gewoon heel snel draaien terwijl uw auto op dezelfde plaats blijft. Deze ineffectieve bandrotatie wordt wielspin genoemd . U heeft waarschijnlijk last van wielspin wanneer u probeert uw auto los te krijgen van de sneeuw of modder.
Dus tractie is wat het motorkoppel omzet in voertuigbeweging. Ja, dit is extreem vereenvoudigd (we kunnen ingaan op de details van de rol van wrijving bij tractie, maar zullen dat niet doen), maar dit is een goede werkdefinitie.
Wat 4WD doet, is dat je de kans vergroot dat je grip krijgt als je op een hobbelige ondergrond rijdt. In plaats van te vertrouwen op slechts twee aangedreven wielen voor tractie (2WD), heb je vier bewegende wielen die mogelijk goede tractie kunnen krijgen om de auto in beweging te houden.
Laten we bijvoorbeeld zeggen dat u in een achteraangedreven 2WD-voertuig zit en dat de achterwielen in de modder zitten terwijl de voorwielen op droge grond staan. Omdat er minder tractie is in modder, zullen uw achterwielen waarschijnlijk gewoon draaien en draaien terwijl uw auto stilstaat. Het zou leuk zijn om die voorwielen te laten draaien, coëfficiënt, want daar is de tractie.
Dat is wat een 4WD-schijf doet.
Als u zich in dezelfde situatie in een 4WD-voertuig bevindt, zullen de voorwielen die zich op het hoge tractieoppervlak bevinden, kracht van de motor krijgen en zo uw auto vooruit kunnen stuwen.
4WD-tractie is iets gecompliceerder dan wat ik hierboven heb beschreven, en we zullen hieronder op enkele van die nuances ingaan, maar de grote afhaalmogelijkheid is dat de algehele verhoogde tractie een groot voordeel is van 4WD.
Meer vermogen is een ander voordeel.
Als je offroad een steile heuvel op rijdt of over obstakels probeert te rijden (zoals je in deze video ziet), wil je niet alleen meer tractie, maar ook meer vermogen naar je wielen. 4WD kan het leveren.
De meeste 4WD-voertuigen bieden de mogelijkheid om te schakelen tussen twee reeksen 4WD:Hi of Lo. Met 4WD-Hi kan uw voertuig alle vier de wielen aandrijven terwijl u snel over hachelijk terrein rijdt, zoals een onverharde of besneeuwde weg. Er wordt gewoon minder kracht naar de wielen gestuurd.
Als je meer kracht nodig hebt om over een obstakel te komen, schakel je over naar 4WD-Lo. Het geeft je wielen meer kracht, maar beweegt de wielen met een lagere snelheid, zodat je die wegversperring kunt overwinnen door er gewoon overheen te rijden.
Nu we weten waarom 4WD van pas zou komen, laten we eens kijken hoe het werkt.
Parttime 4WD is een voertuigsysteem waarmee de bestuurder de 4WD alleen kan inschakelen wanneer dat nodig is. Op normale rijoppervlakken zonder dat de 4WD is ingeschakeld, werkt het net als een achteraangedreven 2WD-voertuig. Een van de grote voordelen van parttime 4WD-voertuigen is een lager brandstofverbruik. Het aandrijven van alle vier de wielen vereist meer brandstof dan alleen het aandrijven van twee. U kunt dus wat geld besparen op gas door alleen 4WD te gebruiken wanneer u het nodig heeft.
Om de voor- en achterwielen tegelijkertijd in beweging te krijgen wanneer 4WD is ingeschakeld, gebruiken parttime 4WD-voertuigen een tussenbak, een afzonderlijke aandrijfas vooraan (naast de achterste aandrijfas), een voor- en achterdifferentieel en vergrendeling naven. Laten we deze verschillende delen een voor een bekijken.
Overdrachtszaak
Zonder tussenbak zou uw parttime 4WD-voertuig een 2WD-voertuig zijn.
De tussenbak (ook wel de T-kast genoemd) verdeelt het vermogen van de motor 50/50 naar zowel de achter- als de vooras door middel van de voor- en achteraandrijfassen. De overdracht zit meestal direct achter de transmissie in uw aandrijflijn. 
Rood geeft de krachtstroom van de motor aan
In parttime 4WD-voertuigen, wanneer 4WD niet is ingeschakeld, krijgen de achterwielen 100% van het koppel van de motor, net als een 2WD-voertuig. De vermogensstroom in dit scenario ziet er ongeveer zo uit:het door de motor geproduceerde vermogen gaat naar de transmissie. Van daaruit gaat het naar een uitgaande as en vervolgens naar de tussenbak. In de tussenbak is de uitgaande as verbonden met de achterste aandrijfas. De achterste aandrijfas brengt het koppel vervolgens over op het achterdifferentieel. Het achterdifferentieel laat dan de wielen draaien waardoor de auto in beweging komt.
Akkoord. Dus hoe brengt de verdeelbak het vermogen over op de voorwielen wanneer 4WD is verloofd?
In de tussenbak bevindt zich een reeks tandwielen en kettingen. Wanneer 4WD is ingeschakeld, grijpen de tandwielen in elkaar waardoor een ketting een tandwiel beweegt dat is verbonden met de voorste aandrijfas. De voorste aandrijfas begint met dezelfde snelheid te draaien als de achterste aandrijfas en levert koppel aan het voordifferentieel, dat vervolgens koppel overbrengt naar de voorwielen. Boom. 4WD.
Als je nog steeds een beetje in de war bent, geeft dit diagram je een goed beeld van de rol van de tussenbak bij het leveren van motorkoppel aan zowel de voor- als de achteras.
Naast de versnellingen die de voor- en achteraandrijfassen synchroniseren, hebben verdeelkasten op de meeste parttime 4WD-systemen versnellingssets waarmee het voertuig in 4WD naar een laag bereik kan schakelen. Zoals eerder vermeld, kan het voertuig hierdoor extra koppel (vermogen) leveren aan zowel de voor- als de achterwielen. Je krijgt echter dat extra vermogen ten koste van snelheid. In 4WD Lo kan uw voertuig maximaal 15 mph rijden.
Aandrijfas voor
Omdat 4WD-voertuigen ook het motorvermogen naar de voorwielen sturen, heeft deze daarvoor een voorste aandrijfas nodig. De voorste aandrijfas verbindt de tussenbak met het voordifferentieel. Wanneer 4WD is ingeschakeld, verdeelt de tussenbak het koppel 50/50 tussen de voorste en achterste aandrijfassen. De voorste aandrijfas draait met dezelfde snelheid als de achterste aandrijfas, waardoor het koppel wordt overgebracht naar het voordifferentieel. Het voordifferentieel brengt dat vermogen vervolgens via de steekassen over op de voorwielen.
Differentiëlen
We hadden het over differentiëlen in ons artikel over de basisprincipes van de aandrijflijn. Op 2WD-voertuigen, een enkele differentieel zit in het midden van de voor- of achteras (afhankelijk of de auto voor- of achterwielaandrijving is). Het vermogen van de aandrijfas wordt via het differentieel naar elk wiel overgebracht, waardoor ze gaan draaien. Omdat bij een 4WD-voertuig alle vier de wielen vermogen krijgen, heeft het twee . nodig differentiëlen — één voor de vooras en één voor de achteras.
Maar het differentieel is niet alleen een krachtzender. De reden dat het een "differentieel" wordt genoemd, is dat de tandwielen erin ervoor zorgen dat de wielen op een enkele as op verschillende snelheden. U denkt waarschijnlijk:"Wanneer zouden mijn wielen met verschillende snelheden bewegen?" Nou, een veelvoorkomend voorbeeld is wanneer je de hoek omgaat. Wanneer u een bocht naar rechts maakt, legt uw binnenwiel (het rechterwiel) minder afstand af dan uw buitenwiel (linkerwiel). Om het binnenwiel bij te houden, moet het buitenwiel iets sneller ronddraaien. Het differentieel maakt dit mogelijk. Als er een solide verbinding was tussen beide wielen, zou de binnenband moeten slippen of overslaan om de as te laten bewegen. Bekijk dit voor een videodemonstratie van hoe een differentieel werkt:
Dankzij de voor- en achterdifferentiëlen van een 4WD-voertuig kunnen de rechter- en linkerwielen op elke respectievelijke as met verschillende snelheden bewegen, zodat de auto voorkomt dat de wielen overslaan of slippen bij het maken van een bocht.
Dat lijkt eenvoudig genoeg, maar verschillen op parttime 4WD-voertuigen kunnen verrassend complex worden, afhankelijk van hoeveel tractie u wilt. Bovendien, als wielen met verschillende snelheden draaien (dankzij de differentiëlen), is het eigenlijk niet waar 4WD. Ja, ik weet dat het verwarrend is. We zullen het hier zo even ophelderen.
Maar laten we het eerst hebben over het laatste onderdeel dat 4WD mogelijk maakt:vergrendelingshubs.
Vergrendelingshubs
Op uw 2WD-voertuig zijn de achterwielen van uw auto vastgeschroefd aan een naaf. Hierdoor kan de as de wielen laten draaien wanneer deze wordt aangedreven door de motor. De voorwielen draaien gewoon vrij rond.
Maar wanneer de 4WD is ingeschakeld op een parttime 4WD-voertuig, willen we dat de voorwielen op de naaf worden aangesloten, zodat het vermogen van de motor erop kan worden overgedragen. Hoe los je dit probleem op waarbij de voorwielen aan de vooras moeten worden vastgeschroefd in 4WD, maar niet vastgeschroefd in 2WD?
Naven vergrendelen.
De meeste parttime 4WD-voertuigen hebben vergrendelingsnaven op de voorwielen. Wanneer de 4WD niet is ingeschakeld, ontkoppelen de vergrendelingsnaven de as. Ze draaien vrij rond en de achterwielen van de auto doen al het werk om het voertuig te verplaatsen. Wanneer 4WD is ingeschakeld, vergrendelen de vergrendelingsnaven de voorwielen op de vooras, waardoor ze koppel van de motor kunnen krijgen. 
Handmatige vergrendelingsnaaf
Op oudere 4WD-voertuigen waren handmatige vergrendelingsnaven standaard. Je zou uit je voertuig moeten stappen en aan een knop op de voorwielen moeten draaien totdat de naven waren vergrendeld. Bij nieuwere 4WD-voertuigen worden de vergrendelingsnaven automatisch ingeschakeld met een druk op de knop.
Oké, laten we teruggaan naar het probleem dat ik eerder heb genoemd met betrekking tot 4WD-differentiëlen en tractie, en waarom het niet waar is dat wielen met verschillende snelheden draaien op een 4WD-voertuig. 4WD.
Onthoud dat het belangrijkste voordeel van 4WD de verhoogde tractie is op oppervlakken met weinig tractie. Je hebt meer wielen die kracht leveren tegen de weg, waardoor de kans groter is dat een wiel een plek met veel tractie raakt en de auto in beweging houdt.
Maar de manier waarop het meest voorkomende type differentieel dat in voertuigen wordt gebruikt (het open differentieel) werkt, kan de tractieverhogende mogelijkheden van 4WD volledig elimineren, zelfs als alle vier de wielen worden aangedreven door de motor. Laten we dit probleem eens bekijken, evenals de mogelijke oplossingen.
Open differentiëlen zijn geweldig onder normale rijomstandigheden. Maar vanwege de manier waarop ze het vermogen over twee wielen verdelen, worden ze een probleem bij rijomstandigheden met weinig tractie. Zie je, in plaats van het vermogen gelijkmatig over beide wielen te verdelen, verdeelt een open differentieel het vermogen over hen volgens de weg van de minste weerstand . Dit is verschrikkelijk voor de tractie.
Waarom?
Laten we dit onderzoeken op een 2WD-voertuig, want je hebt het waarschijnlijk wel eens meegemaakt.
Laten we zeggen dat u probeert uw achteraangedreven 2WD-auto uw besneeuwde oprit op te rijden. De linkerkant is bedekt met sneeuw, maar de rechterkant is droog wegdek. Je zou denken dat dit geen probleem zou zijn, omdat je rechterachterwiel voldoende grip heeft op het droge wegdek om de auto vooruit te stuwen. Maar je zou het mis hebben.
In een auto met een open differentieel krijgt je rechterachterwiel geen geen stroom. Denk eraan, open differentiëlen verdelen de kracht over de as langs de weg van de minste weerstand . En in deze situatie is het wiel met de minste weerstand het wiel dat op de sneeuw rijdt - het linkerwiel. Dus al het koppel wordt naar je linkerwiel gestuurd. 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.
