Firehjulsdrift

Firehjulsdrift eller firehjulstrekk (4×4 eller 4WD) er en betegnelse som brukes om kjøretøy med fire hjul og et drivverk som gir fremdrift på alle hjul samtidig. Forhjulene vil trekke og bakhjulene skyve kjøretøyet fremover. Mange forbinder firehjulsdrift med terrengkjøretøy, men drift på alle fire hjul gir bedre fremkommelighet også på normale veier med glatt is, løs eller fast snø og dårlige grusveier. Avhengig av system, kan imidlertid firehjulsdift gi en reduksjon i veigrep under visse forhold. Dette fordi enkelte systemer ikke har midtdifferensial, men kan være utstyrt med en viskosekobling eller med sjaltet firehjulsdrift som i større eller mindre grad låser fremre og bakre aksel sammen til samme omdreiningshastighet. Dette kan gi dårligere veigrep under kjøring, særlig i krappe svinger. Firehjulsdrift kan også gi uønskede effekter under kraftig bremsing når hjulene låses.
I 2006 var 30,6 % av de nyregistrerte personbilene i Norge utstyrt med firehjulsdrift. Det er den høyeste andelen som noen gang er registrert. I 2007 var den 22,5 %.

Firehjulsdrift i landbruket

I 1857 kom oppfinneren John S. Hall patent i USA på en damptraktor med drift på alle hjulene. Denne konstruksjonen fikk ingen praktisk bruk, da den var umulig å kjøre i svinger.
Den første traktoren med firehjulsdrift kom i 1907 fra Deutz. Dette kjøretøyet ble aldri noen stor suksess, da teknologien var for dyr. Deutz kom først ordentlig i gang i traktormarkedet i 1926, men da uten firehjulsdrift.
I 1923 kom Lanz HP-Bulldog med firehjulsdrift og midjestyring, produsert av Heinrich Lanz AG. Den hadde permanent framhjulstrekk og innsjaltbar bakhjulsdrift.
I 1948 ble den første MAN Ackerdiesel med firehjulsdrift utviklet, og den kom i produksjon i 1949. Andre firmaer, som Fendt, hadde også kommet med firehjulsdrevne traktorer i mellomkrigstiden. Alle disse ble sjeldne på grunn av høy pris, mest på grunn av komplisert produksjon. Mange av modellene ble også raskt tatt av markedet igjen.
Markedsituasjonen endret seg i 1951, da produsenten Same kom med en 25 hk sterk modell kalt Same DA 25. Dette ble den første firehjulsdrevne traktoren i serieproduksjon. Den satte standarden, og andre produsenter fulgte etter. Firehjulsdrift på traktorer ble etter dette vanligere og vanligere.
For tiden er markedsandelen for firehulsdrevne traktorer i klassen over 74 kW nærmere 100 %. Også på mindre traktorer er markedsandelen på firehjulstrekkere kontra tohjulsdrevne rundt 70 %.

Firehjulsdrift i dagens personbiler

Det er Audi som i stor grad må tilskrives æren for den popularitet firehjulsdrift har i markedet i dag. Audi innførte permanent firehjulsdrift i 1980 under navnet Quattro. Ved introduksjonen hadde quattro-modellen en konvensjonell senterdifferensial med 50/50 fordeling av kraften mellom for- og bakaksel. Under utviklingen av quattro-systemet skaffet Audi seg tre Jensen FF, for å studere teknologien.
Audis «urquattro» gjorde rent bord i rally-VM flere år på rad, en prestasjon som vakte oppsikt verden over. Quattro ble en del av det vanlige modelltilbudet fra Audi og andre merker fulgte naturlig nok etter.

Betegnelser og teknologier

En rekke produsenter benytter betegnelsen 4×4 på sine firehjulstrekkere. Dette er et begrep hentet fra amerikansk militærterminologi, hvor det første tallet viser antall hjul på bakken, og det andre viser til antall hjul med drift. Tilsvarende kan betegnelsen 4×2 benyttes om firehjulskjøretøy med drift på to hjul.
Firehjulsdrift betegnet opprinnelig et lastebil-liknende kjøretøy som krevde at føreren manuelt vekslet mellom drift på to hjul (på gater og hovedveier) eller drift på fire hjul (ved kjøring på underlag med dårlig veigrep, for eksempel is, grus eller gjørme.)
Uttrykket «AWD» (All Wheel Drive) ble oppfunnet for å kunne skille mellom kjøretøy med klassisk firehjulsdrift og kjøretøy som var i stand til å drive alle fire hjul samtidig, også på hardt underlag, uten å forårsake dårlige kjøreegenskaper eller overdreven slitasje på dekk eller drivverk. AWD-uttrykket blir i dag også brukt til å markedsføre kjøretøy som ikke har kontinuerlig drift på alle fire hjul, men som i stedet automatisk skifter mellom drift på to og fire hjul etter behov. Uttrykket er dermed relativt vagt i moderne sammenhenger, når AWD blir brukt til å beskrive kjøretøy med forskjellige systemer. Betegnelsen Full Time 4WD er tatt i bruk av enkelte for å betegne et system med kontinuerlig drift på alle fire hjul.
Kjøpere må være oppmerksomme. Det er vanlig at like overføringssystem blir markedsført ulikt i de øvre og det nedre segmentet. Det er også vanlig at svært ulike overføringssystem med ulike egenskaper blir markedsført under det samme navnet på grunn av en produsents ønske om å ha en ensartet betegnelse for alle sine modeller med firehjulsdrift. Teknologien varierer, men betegnelsen står fast. Som et eksempel: Både Quattro og 4motion kan referere til både et automatisk innkoblende system med en haldexkobling og et kontinuerlig system med en torsenkobling.

Virkemåte

Når man skal drive to hjul samtidig, må noe gjøres for å tillate de to hjulene å rotere med ulik hastighet når kjøretøyet beveger seg i kurver. Ved fremdrift på alle fire hjulene er problemet mer komplekst. Et design som ikke tar hensyn til dette, vil føre til at kjøretøyet manøvrer svært dårlig i svinger, og kjemper mot føreren i det dekkene slipper og skrenser på grunn av de ulike hastighetene.
Man kan unngå den mekaniske kompleksiteten ved å bruke en elektrisk motor for hvert hjul, med hastighetene styrt av datateknikk. Dette er normalt sett ikke gjort.
En differensial tillater at en tilførselsaksling fra girkassa driver to drivakslinger med forskjellig hastighet. Differensialen fordeler dreiemoment (rotasjonskraft) likt til de to drivakslingene, samtidig som vinkelhastighet (dreiehastighet) fordeles slik at summen av vinkelhastigheten for de to drivakslingene er lik rotasjonen fra tilførselsakslingen. Hvert drevne hjulpar krever en differensial for å distribuere kraften mellom venstre og høyre side. Hvis alle fire hjul skal drives, kan en tredje differensial bli brukt til å fordele kraft mellom frem- og bakaksling.
Et slikt design manøvrerer veldig godt. Det fordeler kraft jevnt og minsker sannsynligheten for skrensing. Men med en gang noe slipper, vil innhenting være veldig vanskelig. La oss anta at venstre fremhjul (av et design som driver alle fire hjulene) begynner å spinne (slipper). På grunn av måten en differensial fungerer vil det spinnende hjulet spinne dobbelt så fort som ønskelig, mens hjulet på den andre siden vil stoppe helt opp (gjennomsnittshastigheten blir uforandret, men ingen av hjulene får noe dreiemoment). Siden dette eksempelet omhandler et kjøretøy med firehjulsdrift, vil et tilsvarende problem oppstå mellom for og bakakslingen via senterdifferensialen. Gjennomsnitthastigheten vil ikke forandre seg, men dreiemomentet vil bli utlignet, og blir da lik null. Hastigheten bak går til 0, mens rotasjonshastigheten på venstre fremhjul blir faktisk fire ganger så stor som den skulle vært.
Dette problemet kan oppstå både med tohjulsdrift og firehjulsdrift om et drevet hjul blir løftet opp eller mister veigrepet. Dette enkle designet virker akseptabelt på tohjulsdrevne kjøretøy, men for firehjulsdrevne kjøretøy, som vil ha dobbel så stor sjanse for å miste grep på et hjul, er vanligvis ikke dette regnet som akseptabelt.
Et overraskende fenomen oppstår på glatt føre ved bremsing med firehjulsdrift med tre differensialer uten at motoren frakobles. Når forhjulene blokkeres på grunn kraftigere bremseeffekt foran, vil funksjonen i midtdifferensialen gi økt rotasjon på bakhjulene. Forhjulene sklir og motorens rotasjon gir ekstra fremdrift av bakhjulene. Ved å trykke inn clutchen slipper man dette.

1. Åpen (konvensjonell) differensial (evnt m/bremse/sperre)

Fordel: Tillater fartsforskjeller mellom hjulpar og/eller akselpar. Nødvendig forutsetning for stabil kurvekjøring og for å minimalisere mekaniske påkjenninger og dekkslitasje.
Ulempe: Kraften overføres dit friksjonen er minst. Gir hjulspinn og skrens samt slag i rattet når veigrepet på forhjulene endres.
Flere biler med denne løsningen har manuell tilkoblet sperre på midtdifferensialen med eget håndtak for dette ved girstanga. Ved bruk av differensialsperra må ett hjul foran og ett hjul bak spinne samtidig om spinning skal forekomme.

2. Torsendifferensial

Fordel: Tillater fartsforskjeller mellom hjulpar og/eller akselpar og fordeler kraften mekanisk, kontinuerlig og trinnløst mellom hjul/akselpar avhengig av veigrep innenfor et gitt intervall (for eksempel 30/70–70/30). Mekaniske løsninger tradisjonelt mindre sårbare og mer driftssikre enn elektroniske.
Ulempe: Patentbelagt, kostbart
Fra 1986 tok Audi i bruk Torsen-differensialen. Torsen er et akronym laget av «Torque Sensing» og er en ren mekanisk teknologi oppfunnet av det amerikanske selskapet Gleason Corporation.
Torsen ble først brukt i for- og bakaksel i militærkjøretøy fra Hummer fra 1983, mens Audi tok i bruk teknologien i biler beregnet for det åpne markedet. Torsen differensialer er kostbare og bare brukt i et fåtall modeller i tillegg til Audis. Blant disse er Lancia integrale (1986-1994 bakaksel), BMW Z3, Z4 (1998 bakaksel), Honda S2000 (1999 bakaksel), Lexus IS 300 (bakaksel), RX 300 (bakaksel) og GX 470 (senteraksel), Mazda RX-7 (1991 bakaksel) og MX-5 (1995 bakaksel), Range Rover (2002 senteraksel), Toyota Celica (1989), Supra, Land Cruiser og RAV4 (alle bakaksel) samt Volkswagen Passat (1997–2006) senteraksel.

3.1 Viskosedifferensial

Fordel: Rimelig og kompakt
Ulempe: Ikke et ekte 4WD system. For å få kraftoverføring til «slaveaksel» må minst ett hjul på «hovedakselen» spinne. Viskosekoblingen vil gi noe forsinket kraftoverføring til slaveakselen og minst ett hjul må fortsette å spinne. Derved reduseres veigrepet. Under kjøring i krappe kurver, for eksempel rundkjøringer, kan viskosekoblingen begynne å låse, og en mister veigrep. Koblingen må også byttes med jevne mellomrom ettersom den "stivner" når kilometrene begynner å bli mange.
Volkswagen Syncro, Volvo 850 AWD. En variant kalles Honda Real Time™ 4WD

3.2 Senterdifferensial med viskosesperre

Fordel: Godt forhold mellom effekt og pris. Lettere og rimelige enn Torsen. Liten dekkslitasje, uproblematisk kjøring, god stabilitet og framkommelighet.
Ulempe: Kan gi markant understyring i lange og skarpe svinger. 
Eksempler på modeller med senterdifferensial med viskosesperre på senterakselen: Ford Escort RS Cosworth, flere Volkswagenmodeller, Volvo, Lancia Delta Integrale, BMW 325ix (E30), Mitsubishi Lancer GSR og 3000GT VR4, Subaru Impreza, Forester og Legacy, og Toyota Celica GT4. Lancia og Toyota var utstyrt med Torsen bakakseldifferensial, noen av de øvrige med viskosedifferensial bak. Forester har viskossperre også på bakakseldifferensialen. Mitsubishi Space Wagon 4WD har åpen midtdifferensial, men viskosesperre på bakakselen.

4. Aktiv differensial

Fordel: Kontinuerlig tilpasning av veigrep ved hjelp av datastyring.
Ulempe: Høy vekt. Kostbart
(Kun Porsche 959, Kia Sportage 2011+)

5. 4-matic

Fordel: Sikker permanent firehjulsdrift
Ulempe: Kostbart.

6. Haldex

Fordel: Rimelig og relativt kompakt
Ulempe: «Relativt kompakt» betyr at bagasjeplassen i en Golf V reduseres med 75 liter.
Haldex benytter datastyrt, clutchbasert senterdifferensial.
(Audi A3 Quattro, S3 og TT Quattro. Volkswagen Passat VI 4Motion (fra 2006) og Volkswagen Passat VII 4Motion (fra 2010), Volkswagen Sharan 4Motion, Caravelle 4Motion, Transporter 4Motion, Multivan 4Motion, Golf IV 4Motion, Golf V 4Motion, Golf VI 4Motion, Golf VII 4Motion, Seat Leon, Škoda Octavia 4x4, Škoda Octavia Scout, Volvo V50, XC60, XC70, XC90, Ford Freestyle, Five Hundred, Mercury Montego og Ford Kuga)