Bienvenue dans Gearhead 101 :une série sur les bases du fonctionnement des voitures pour les néophytes de l'automobile.
Dans notre dernière introduction, nous avons discuté des bases de la transmission. Le groupe motopropulseur se compose d'une série de pièces qui transfèrent la puissance de rotation produite par le moteur de la voiture aux roues de la voiture pour faire bouger le véhicule. Sur la plupart des voitures, connues sous le nom de voitures à deux roues motrices (2WD), la transmission transfère la puissance à seulement deux roues - soit les deux roues arrière (alias, traction arrière) ou les deux roues avant (alias traction avant). Le mouvement de ces deux roues fait bouger la voiture, et les autres roues à leur tour.
Pour la plupart des véhicules et dans la plupart des conditions de conduite, vous n'avez besoin que de deux roues pour déplacer votre voiture. Mais lorsque votre surface de conduite est recouverte de neige ou se compose de sable et de gravier meuble, il est utile que toutes les roues travaillent ensemble pour donner à votre voiture une traction supplémentaire et la déplacer sur le terrain.
Entrez dans les quatre roues motrices. 4WD pour faire court.
4WD est un type de système de transmission qui, comme son nom l'indique, transfère la puissance du moteur aux quatre roues. Vous voyez 4WD principalement sur les camions et les SUV.
Bien que vous ayez probablement entendu parler des 4 roues motrices de nombreuses fois et que vous ayez une vague idée de ce qu'il fait pour votre voiture, il y a de fortes chances que vous ne le sachiez pas vraiment savoir ce que cela signifie ou comment cela fonctionne. Ainsi, dans le Gearhead 101 d'aujourd'hui, nous aborderons les bases du système de transmission 4WD, y compris ses avantages et son fonctionnement. Notre objectif pour cet article sera le 4x4 à temps partiel car c'est le type de 4x4 le plus courant que vous voyez là-bas. Nous jetterons un coup d'œil aux 4x4 permanents la prochaine fois.
Cela peut être assez difficile à comprendre. Alors déplacez votre cerveau vers 4WD et commençons.
Avant d'entrer dans les détails du fonctionnement des 4 roues motrices, nous devons comprendre pourquoi vous voudriez que le moteur propulse les quatre roues de votre voiture en premier lieu.
Comme nous en avons discuté dans notre épisode Gearhead 101 sur le fonctionnement d'un moteur de voiture, votre moteur produit une puissance de rotation appelée couple. Le groupe motopropulseur (composé de la transmission, de l'arbre de transmission et du différentiel) transfère le couple du moteur aux roues. L'application de couple aux roues est ce qui fait avancer votre voiture.
Mais pour obtenir le couple qui a été transféré aux roues pour déplacer réellement le véhicule, vos pneus doivent avoir une traction sur la route. Sans traction des pneus, vous pouvez appliquer autant de puissance que vous le souhaitez à vos roues et toujours aller nulle part. Vos pneus vont simplement patiner très vite pendant que votre voiture reste au même endroit. Cette rotation inefficace des pneus est appelée patinage des roues . Vous avez probablement déjà expérimenté le patinage des roues en essayant de décoller votre voiture de la neige ou de la boue.
La traction est donc ce qui transforme le couple moteur en mouvement du véhicule. Oui, c'est extrêmement simplifié (nous pourrions entrer dans les détails du rôle du frottement dans la traction, mais nous ne le ferons pas), mais c'est une bonne définition de travail.
Ce que font les 4 roues motrices, c'est augmenter les chances que vous puissiez obtenir de la traction lorsque vous conduisez sur des surfaces risquées. Au lieu de compter sur seulement deux roues motrices pour la traction (2WD), vous avez quatre roues mobiles qui pourraient éventuellement atteindre une bonne traction pour maintenir la voiture en mouvement.
Par exemple, disons que vous êtes dans un véhicule à 2 roues motrices à propulsion arrière et que les roues arrière sont dans la boue tandis que les roues avant sont sur un sol sec. Parce qu'il y a moins de traction dans la boue, vos roues arrière sont susceptibles de tourner et de tourner pendant que votre voiture reste à l'arrêt. Ce serait bien que ces roues avant tournent, coefficient, car c'est là que se trouve la traction.
C'est ce que fait le 4x4.
Si vous êtes dans un véhicule à 4 roues motrices dans la même situation, les roues avant qui se trouvent sur la surface de traction élevée seront alimentées par le moteur et pourront ainsi propulser votre voiture vers l'avant.
La traction 4WD est un peu plus compliquée que ce que je viens de décrire ci-dessus, et nous aborderons certaines de ces nuances ci-dessous, mais le gros point à retenir est que l'augmentation globale de la traction est un avantage majeur du 4WD.
La puissance accrue est un autre avantage.
Si vous faites du tout-terrain sur une pente raide ou si vous essayez de franchir des obstacles (comme vous le voyez dans cette vidéo), vous ne voudrez pas seulement plus de traction, mais aussi plus de puissance envoyée à vos roues. 4WD peut le fournir.
La plupart des véhicules 4WD offrent la possibilité de basculer entre deux gammes de 4WD :Hi ou Lo. 4WD-Hi permet à votre véhicule d'alimenter les quatre roues tout en roulant rapidement sur des terrains dangereux, comme une route de gravier ou enneigée. Il y a juste moins de puissance envoyée aux roues.
Si vous avez besoin de plus de punch pour franchir un obstacle, vous passerez en 4WD-Lo. Il donne plus de puissance à vos roues, mais déplace les roues à une vitesse plus lente, ce qui vous permet de conquérir ce barrage routier simplement en le franchissant.
Maintenant que nous savons pourquoi le 4WD serait utile, entrons dans le vif du sujet de son fonctionnement.
Le 4WD à temps partiel est un système de véhicule qui permet au conducteur d'activer le 4WD uniquement en cas de besoin. Sur les surfaces de conduite régulières sans le 4WD engagé, il fonctionne comme un véhicule 2WD à propulsion arrière. L'un des grands avantages des véhicules à 4 roues motrices à temps partiel est l'augmentation de l'économie de carburant. Alimenter les quatre roues nécessite plus de carburant que d'en alimenter deux. Ainsi, vous pouvez économiser de l'argent sur l'essence en n'utilisant 4WD que lorsque vous en avez besoin.
Pour faire bouger les roues avant et arrière en même temps lorsque 4WD est engagé, les véhicules 4WD à temps partiel utilisent une boîte de transfert, un arbre d'entraînement avant séparé (en plus de l'arbre d'entraînement arrière), un différentiel avant et arrière et verrouillage moyeux. Examinons ces différentes parties une par une.
Boîte de transfert
Sans boîte de transfert, votre véhicule 4x4 à temps partiel serait un véhicule 2x4.
La boîte de transfert (également appelée boîtier en T) est ce qui répartit la puissance du moteur 50/50 entre les essieux arrière et avant via les arbres de transmission avant et arrière. Le transfert se trouve généralement juste derrière la transmission de votre transmission. 
Le rouge indique le flux de puissance du moteur
Dans les véhicules à 4 roues motrices à temps partiel, lorsque les 4 roues motrices ne sont pas engagées, les roues arrière obtiennent 100 % du couple du moteur, tout comme un véhicule à 2 roues motrices. Le flux de puissance dans ce scénario ressemble à ceci :La puissance produite par le moteur va à la transmission. De là, il va à un arbre de sortie, puis à la boîte de transfert. À l'intérieur de la boîte de transfert, l'arbre de sortie est relié à l'arbre de transmission arrière. L'arbre de transmission arrière transmet alors le couple au différentiel arrière. Le différentiel arrière fait alors patiner les roues, ce qui fait bouger la voiture.
Très bien. Alors, comment la boîte de transfert transfère-t-elle la puissance aux roues avant lorsque 4WD est fiancé ?
À l'intérieur de la boîte de transfert, il y a une série d'engrenages et de chaînes. Lorsque 4WD est engagé, les engrenages s'engrènent, ce qui fait qu'une chaîne déplace un engrenage qui est connecté à l'arbre de transmission avant. L'arbre de transmission avant commence à tourner à la même vitesse que l'arbre de transmission arrière et transmet le couple au différentiel avant, qui transmet ensuite le couple aux roues avant. Boom. 4x4.
Si vous êtes encore un peu confus, ce diagramme vous donnera une vue d'ensemble du rôle de la boîte de transfert dans la transmission du couple moteur aux essieux avant et arrière.
En plus des engrenages qui synchronisent les arbres de transmission avant et arrière, les boîtes de transfert sur la plupart des systèmes 4WD à temps partiel ont des ensembles d'engrenages qui permettent au véhicule de passer à une gamme basse lorsqu'il est en 4WD. Comme mentionné précédemment, cela permet au véhicule de fournir un couple supplémentaire (puissance) aux roues avant et arrière. Cependant, vous obtenez cette puissance supplémentaire au détriment de la vitesse. En 4WD Lo, votre véhicule ne peut aller que jusqu'à 15 mph.
Arbre de transmission avant
Étant donné que les véhicules à 4 roues motrices envoient également la puissance du moteur aux roues avant, ils ont besoin d'un arbre de transmission avant pour le faire. L'arbre de transmission avant relie la boîte de transfert au différentiel avant. Lorsque 4WD est engagé, la boîte de transfert répartit le couple 50/50 entre les arbres de transmission avant et arrière. L'arbre de transmission avant tourne à la même vitesse que l'arbre de transmission arrière, transférant le couple au différentiel avant. Le différentiel avant transfère ensuite cette puissance aux roues avant via les arbres de roue.
Différentiels
Nous avons parlé des différentiels dans notre article sur les bases de la transmission. Sur les véhicules à 2 roues motrices, un simple différentiel se trouve au milieu des essieux avant ou arrière (selon que la voiture est à traction avant ou arrière). La puissance de l'arbre d'entraînement est transférée à travers le différentiel à chaque roue, les faisant tourner. Sur un véhicule à 4 roues motrices, parce que les quatre roues sont alimentées, il en faut deux différentiels - un pour l'essieu avant et un pour l'essieu arrière.
Mais le différentiel n'est pas seulement un transmetteur de puissance. La raison pour laquelle on l'appelle un "différentiel" est que les engrenages à l'intérieur permettent aux roues d'un seul essieu de se déplacer à différents vitesses. Vous pensez probablement :"Quand mes roues se déplaceraient-elles à des vitesses différentes ?" Eh bien, un exemple courant est chaque fois que vous tournez dans un coin. Lorsque vous tournez à droite, votre roue intérieure (la roue droite) parcourt moins de distance que votre roue extérieure (la roue gauche). Pour suivre la roue intérieure, la roue extérieure doit tourner légèrement plus vite. Le différentiel rend cela possible. S'il y avait une connexion solide entre les deux roues, le pneu intérieur devrait déraper ou sauter pour que l'essieu continue de bouger. Pour une démonstration vidéo du fonctionnement d'un différentiel, regardez ceci :
Les différentiels avant et arrière d'un véhicule à 4 roues motrices permettent aux roues droite et gauche de chaque essieu respectif de se déplacer à des vitesses différentes afin que la voiture évite le saut de roue ou le dérapage lors d'un virage.
Cela semble assez facile, mais les différentiels sur un véhicule à 4 roues motrices à temps partiel peuvent devenir étonnamment complexes en fonction de la traction que vous souhaitez. De plus, si les roues tournent à des vitesses différentes (grâce aux différentiels), ce n'est en fait pas vrai 4x4. Oui, je sais que c'est déroutant. Nous allons clarifier cela dans un instant.
Mais, d'abord, parlons du dernier composant qui rend les 4 roues motrices possibles :les moyeux de verrouillage.
Moyeux de verrouillage
Sur votre véhicule 2WD, les roues arrière de votre voiture sont boulonnées à un moyeu. Cela permet à l'essieu de faire patiner les roues lorsqu'il est alimenté par le moteur. Les roues avant tournent librement.
Mais lorsque le 4WD est engagé sur un véhicule 4WD à temps partiel, nous voulons que les roues avant soient connectées au moyeu afin que la puissance du moteur puisse leur être transférée. Comment résolvez-vous ce problème d'avoir besoin que les roues avant soient boulonnées à l'essieu avant lorsque vous êtes en 4WD, mais pas boulonnées lorsque vous êtes en 2WD ?
Moyeux de verrouillage.
La plupart des véhicules à 4 roues motrices à temps partiel ont des moyeux de verrouillage sur les roues avant. Lorsque les 4 roues motrices ne sont pas engagées, les moyeux de verrouillage déconnectent l'essieu. Ils tournent librement et les roues arrière de la voiture font tout le travail de déplacement du véhicule. Lorsque 4WD est engagé, les moyeux de verrouillage verrouillent les roues avant sur l'essieu avant, ce qui leur permet d'obtenir le couple du moteur. 
Moyeu à verrouillage manuel
Sur les véhicules 4x4 plus anciens, les moyeux à verrouillage manuel étaient standard. Vous deviez sortir de votre véhicule et tourner un bouton sur les roues avant jusqu'à ce que les moyeux soient verrouillés. Sur les véhicules 4WD plus récents, les moyeux de verrouillage s'enclenchent automatiquement en appuyant sur un bouton.
Très bien, revenons au problème que j'ai soulevé plus tôt concernant les différentiels et la traction 4WD, et pourquoi faire patiner les roues à différentes vitesses sur un véhicule 4WD n'est pas vrai 4x4.
N'oubliez pas que le principal avantage des 4 roues motrices est une traction accrue sur les surfaces à faible traction. Vous avez plus de roues fournissant de la puissance contre la route, ce qui augmente les chances qu'une roue touche un endroit à forte adhérence et maintienne la voiture en mouvement.
Mais la façon dont le type de différentiel le plus couramment utilisé dans les véhicules (le différentiel ouvert) fonctionne peut éliminer complètement les capacités d'amélioration de la traction des 4 roues motrices, même si les quatre roues sont alimentées par le moteur. Examinons ce problème, ainsi que les solutions possibles.
Les différentiels ouverts sont parfaits dans des conditions de conduite normales. Mais en raison de la manière dont ils répartissent la puissance entre deux roues, ils deviennent un problème dans des conditions de conduite à faible traction. Vous voyez, au lieu de répartir la puissance uniformément entre les deux roues, un différentiel ouvert distribue la puissance entre elles suivant un chemin de moindre résistance . C'est terrible pour la traction.
Pourquoi ?
Explorons cela sur un véhicule à 2 roues motrices, car vous en avez probablement déjà fait l'expérience.
Disons que vous essayez de conduire votre voiture 2WD à propulsion arrière dans votre allée enneigée. Le côté gauche est couvert de neige, mais le côté droit est une chaussée sèche. Vous penseriez que ce ne serait pas un problème car votre roue arrière droite a beaucoup de traction sur la chaussée sèche pour propulser la voiture vers l'avant. Mais vous auriez tort.
Dans une voiture avec un différentiel ouvert, votre roue arrière droite n'en aura aucune Puissance. N'oubliez pas que les différentiels ouverts répartissent la puissance sur l'essieu en suivant le chemin de moindre résistance . Et dans cette situation, la roue avec le moins de résistance est la roue qui roule sur la neige — la roue gauche. Donc tout le couple va être envoyé sur ta roue gauche. Mais parce qu'il n'y a pas de traction là-bas, il tourne et tourne, tout en laissant votre voiture à l'arrêt.
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.
Jamais peur. 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.
Eh bien, voilà. 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.
