Pod haubom: načini ugradnje motora

U smislu težine i težišta, motor je popriličan uteg za automobil. Dinamička svojstva vozila u velikoj mjeri ovise o tome gdje je unutar pravokutnika koji opisuju kotači ugrađen motor. Zamislimo dasku koja pluta na vodi, i zamislimo da na nju stavljate ciglu. Daska će biti stabilnija ako je cigla bliža sredini, po obje osi (uzdužnoj ili longitudinalnoj i poprečnoj ili transverzalnoj, a koliko će daska okomito uroniti zbog tereta cigle ovom prilikom možemo zanemariti). To je krajnje pojednostavljeni opis, ali vrijede slični principi. Isto tako, utjecaja ima i kako će cigla biti položena, poprečno ili uzdužno.

Zamislimo sada minijaturni vrtuljak čiji je radijus jednak duljini jedne cigle i kako na njega stavljamo tu istu ciglu. Ako ciglu postavimo okomito na radijus i bliže rubu, bit će teže od stanja mirovanja vrtuljak zavrtiti i iz vrtnje ga zaustaviti. Ni to nije sasvim precizna analogija, ali prikladno ilustrira princip; cigla na plutajućoj daski i na vrtuljku predstavlja pomicanje težišta vozila ovisno o načinu ugradnje motora. U nastavku teksta pročitajte više o smještaju i orijentaciji motora i o posljedicama na dinamiku auta.

Poprečna montaža
Danas je ovo najčešće rješenje jer je optimalno za putničke automobile. No, kao i gotovo svako rješenje u automobilima, prve verzije i primjene poprečno ili transverzalno ugrađenih motora javile su se prije više od jednog stoljeća. S povećanjem potražnje za povoljnim osobnim vozilima i povećanjem kupovne moći 1950-ih godina u Europi, nastali su uvjeti za razvoj automobila koji su postali izravni prethodnici današnjem konceptu osobnog automobila. Tako priču o poprečno ugrađenim motorima možemo početi s godinom 1959., makar je ona počela šezdesetak godina ranije. Te je godine na tržište izašao Austinov Mini. Konstrukcijska formula bila je kotači u kutovima karoserije, četverotaktni četverocilindarski motor poprečno postavljen ispred kabine i prednji pogon. Pogonski dizajn Sir Aleca Issigonisa unaprijedio je za serijske automobile Dante Giacosa: godine 1964. Autobianchi Primula primijenila je istu formulu, ali mjenjačka kutija više nije bila dio bloka motora (lakši servis i zasebna ulja, pa se moguće nastala metalna špena iz getriebe nije cirkulacijom ulja mogla naći u cilindrima motora i tamo uzrokovati štetu). Godine 1969. stigao je Renault 12, 1971. pak Zastava 101 i 1974. Volkswagen Golf, a to su bili velikoserijski i pristupačni automobili koji su formuli prednjeg pogona dodali i tzv. peta vrata (hatchback, liftback).

Prednosti poprečne ugradnje motora su kompaktnost i iskoristivost prostora pod haubom, lakše projektiranje deformacijskih zona i više prostora za zonu pregrade motornog prostora od putničke kabine unutar istih dimenzija karoserije i relativno kompaktni i jednostavni pogonski sklop. Nedostaci su pak visoka silueta (posljednjih godina je to djelomično uvjetovano i normama o tzv. pasivnoj sigurnosti u slučaju udaranja pješaka) i težina motora ispred osi prednjih kotača. Neke iznimke su Renault 4 i 5 čiji je pogonski sklop poredan ovako: putnička kabina – motor – getriba – kotači, no tamo je motor ugrađen uzdužno. Uzdužno ugrađeni motor ispred prednjih kotača uz prednji pogon (ili pogon na sve kotače) koriste ili su koristili npr. Audi i Saab.

Uzdužna montaža
Uzdužna ili longitudinalna ugradnja motora, pri kojoj je smjer pružanja radilice isti kao i smjer pružanja uzdužne osi vozila, bila je standard za automobile do prije 30-40 godina kada su prednji pogon i poprečna ugradnja postali rašireniji. Danas se uzdužno motori ugrađuju u jače automobile sa stražnjim pogonom, ali postoje razne iznimke: npr, Volvo je u S80 ugrađivao poprečno V8 motor i upario ga s pogonom na sve kotače. No, klasična formula kakvu danas vidimo npr. na većim BMWima ili Mercedesima je uzdužno ugrađeni motor i stražnji pogon. Taj je način ugradnje pogodan za motore većih dimenzija koji poprečno ne bi stali pod haubu vozila. Zatim, težina motora se tako približi centru automobila po uzdužnoj osi, a može se smjestiti dijelom ili potpuno iza osi prednjih kotača, prema putničkoj kabini, iz istog razloga “centriranja” mase. Redni motori se mogu i nakositi pa se dobije niža moguća silueta karoserije i ponovo snizi težište. Nisko težište motora blizu uzdužnoj osi automobila je jaka strana Subarua koji koristi bokser motore i pogon na sve kotače. Na koncu, ovisno o dizajnu, automobil s uzdužnim motorom može jače zakrenuti prednje kotače jer je pod haubom oko kotača više mjesta. Nedostaci se mogu promatrati više kao nedostaci za neko konkretno rješenje, poput ugradnje motora uzdužno u mali automobil, jer u tom slučaju zauzima više mjesta nego poprečno. Naravno, i ovdje postoje iznimke pa poprečno ugrađeni motor nekad pogoni stražnje kotače, kao kod trenutnog Renault Twinga i Smarta, gdje je ugrađen u rep vozila (to rješenje obično koristi isti sklop getribe, diferencijala i poluosovina kao i pri ugradnji pod prednju haubu s prednjim pogonom). Isto rješenje koriste i brojni gradski autobusi.

Motor naprijed
Osim ugradnje motora poprečno ili uzdužno u odnosu na os duljine vozila (odnosno, preklapa li se smjer pružanja radilice i uzdužne osi vozila ili je radilica okomita na tu os vozila), za dinamička svojstva automobila još je bitniji smještaj motora u odnosu na kotače, tj. točke u kojima automobil leži na tlu. Tri su osnovne mogućnosti. Prva je najčešća i koriste ju gotovo svi današnji putnički automobili: motor ispred ili iznad osi prednjih kotača. To je povoljno rješenje za prednji pogon jer težina pogonskog sklopa nad kotačima pomaže trakciji, tj. opterećuje pogonske kotače. S druge strane, u tom su slučaju prednji kotači i upravljački i pogonski i motor je nad njima ili ispred njih pa se kapacitet prianjanja gume na podlogu lako premaši, tj. dođe do podupravljanja jer inercija pobijedi trenje, a tome doprinosi i polarni moment motora u nosu automobila. Problem koji se javlja kod jačih prednjepogonaša je i tzv. torque steer: auto vuče na jednu stranu kad mu se da gas. Zbog jednostavnijeg servisa i jeftinije proizvodnje, prednjepogonaši često imaju nejednake duljine poluosovina (točnije, pogonskih vratila). Zbog konfiguracije sklopa motor+mjenjač, do jednog kotača iz diferencijala ima manje prostora nego do drugog i tako se vratila torzijski uvijaju drugačije zbog različitih duljina. Neki proizvođači to su rješavali uparivanjem jednog šupljeg i jednog punog vratila kako bi uskladili sile uvijanja. No, neki poput Alfa Romea i Honde su mjenjač i diferencijal za neke modele prilagodili tako da su vratila podjednakih duljina. Motor ugrađen naprijed ostavlja prostora za putničku kabinu i gepek, a ostvaruje i pozitivno dinamičko svojstvo: stabilnost i predvidivost ponašanja automobila. Zamislite strijelu koja ima proračunato teški vrh u odnosu na tijelo i rep…

Motor u sredini
Motor montiran između osi kotača dinamički je idealno rješenje. Podjednako opterećuje oba para kotača automobila, težište približava centru auta, vještijem vozaču omogućuje agilnu vožnju uz transfer težine pri skretanjima, ubrzavanju i kočenju, no zahtjeva više prostora koji je inače putnička kabina ili prtljažnik, a treba računati i na projektiranje adekvatnog hlađenja. To pogotovo vrijedi za slučaj kada je motor iza putničke kabine i ispred stražnjih kotača, a pri sportskim i trkaćim varijantama oni su čvrsto vezani uz šasiju (zapravo su i sami strukturni elementi) i tako smanjuju ukupnu težinu auta u odnosu na putnički auto s motornim prostorom i nosačima motora. Kada je motor kod stražnjih kotača, ovisno o varijanti pogonskog sklopa, možda nije potrebno koristiti kardansko vratilo pa su manji i mehanički gubici kroz prijenos. No, motor može biti i ispred kabine, a iza osi prednjih kotača. Tako gubi nešto agilnosti inherentne motoru pomaknutom bliže centru vozila, ali također omogućuje kratki prednji prevjes, povoljniju distribuciju težine nego da je iznad ili ispred prednjih kotača, a zadržava i predvidivost automobila s težištem pomaknutim naprijed. Spomenimo da pogon na jedan par ili na sve kotače ne ovisi o smještaju i orijentaciji motora, praktički su sve kombinacije bile proizvedene kroz automobilsku povijest.

Motor iza
Motor ugrađen iza osi stražnjih kotača nekada je bilo često rješenje zbog oslobađanja prostora gepeka pod prednjom haubom i jednostavnijim i jeftinijim pogonskim sklopom pod stražnjom (npr. nisu potrebni homokinetički zglobovi, koji omogućuju prijenos snage i zakretanje istog kotača). No, takav automobil lakše je izbaciti s putanje, lakše preupravlja i lakše se zanosi stražnji kraj – što nije povoljno za putnički automobil. S razvojem materijala, homokinetičkih zglobova i drugih tehničkih (i ekonomskih) rješenja, takva je ugradnja danas rijetka. Objasnimo je na primjeru najdugovječnije automobilske primjene. Porscheov recept sportskog automobila sa šestcilindarskim bokserom montiranim u repu automobila, iza osi stražnjih kotača, idejno je kulminirao u 959, ali razvija se i usavršava i danas. Ta anakronistička formula postigla je vrhunske rezultate na trkaćim pistama (npr. 934.5, 935, 959, GT2 911). Ali, povoljniji, središnji smještaj motora osigurava dovoljni transfer težine (pogotovo uzdužno), niži polarni moment inercije, težište bliže centru vozila i druga relevantna dinamička svojstva. Zato su ipak najbrži Porscheovi modeli bili projektirani s motorom smještenim ispred stražnje osovine, tj. između osi kotača (npr. 917/30, 909, Carrera GT, 911 (991) RSR, 918).

Isti motor, različite ugradnje
Neki su motori uz prilagodbe ugrađivani u razne modele, uzdužno i poprečno, poput VW-ovih motora krajem 1970-ih ili Toyotinih motora 1980-ih. Tako se npr. Toyotin motor 4A-GE (1.6 l) ugrađivao u Corollu AE86 (poznati Hachiroku, što na japanskom doslovno znači “osam-šest”, a sami naziv dolazi od načina Toyotinog internog imenovanja automobila) pod prednju haubu uzdužno uz stražnji pogon, u AE82 poprečno naprijed i prednji pogon, a u MR-2 (AW11), poprečno iza vozačke kabine i pogonio je stražnje kotače, a ti su se modeli automobila proizvodili istovremeno. 

U MR-2 se ugrađivala se i varijanta s kompresorskim prednabijanjem koje se uključivalo pri jačem gasu (4A-GZE). Usisni 4A-GE koristio je T-VIS, varijantu varijabilne usisne grane s dva seta kanala i ventilom koji ograničava presjek/ubrzava usisni zrak (Toyota variable induction system). Kao i kod nekih drugih Toyotinih motora, i ovdje je Yamaha razvijala glavu motora, a kasnije generacije koristile su 5 ventila po cilindru. 

Još neke primjere premještanja ugrađivanja istog (ili varijacije istog) pogonskog sklopa pri prednjoj ili stražnjoj osovini možemo vidjeti u Fiatu i Renaultu. Fiat X1/9 pogonski sklop poprečnog motora seli kod zadnjih kotača, a isti motor u Fiatu 128 ili Zastavi 101 poprečno ugrađen pogoni prednje. Možemo spomenuti kako je konstruktor tog motora Aurelio Lampredi, koji je konstruirao i neke V12 motore za Ferrari. U Renaultu su pak R4 i R5 koristili uzdužno postavljen motor i prednji pogon (osim posebnih R5), a Alpine A110 (baziran na Renault-Gordini mehanici) koristi isti pogonski sklop, ali montiran iza stražnjih, pogonjenih kotača.

Isti temeljni V12 motor je i Lamborghini u Miuri ugradio poprečno, a u Countach uzdužno (taj je motor razvijan gotovo pola stoljeća, od 1963. u 350GT do 2010. u Murciélagu). I proizvođači motocikala isprobavaju različite ugradnje; tako npr. Harley-Davidson V2 ugrađuje poprečno, a Moto Guzzi uzdužno. Neki pak radi, poput Audija, odluče zadržati osnovnu geometriju ugradnje, ali mijenjaju tip motora; tako je npr. Audi 2.5 TDI redni petcilindarski motor sredinom 1990-ih zamijenio V6 TDI motorom koji je kraći i zahtjeva manji prednji prevjes, dok je Volkswagen odabrao VR motore (npr. u VW i Škoda modelima), jer su ti uskokutni V motori zauzimali manje prostora i koristili manje komponenti od usporedivih “pravih” V motora.

Dinamika vožnje
Ponekad, zbog pokušaja smanjivanja troškova razvoja i proizvodnje, isti motor razvije probleme u jednom modelu automobila, a u drugom pak ne; zbog različitog kuta ugradnje pod haubu ili akceleracijskih sila koje djeluju na motor pri vožnji, može doći do pomanjkanja ulja u pojedinim zonama glave motora.

To nas dovodi i do napomene da su se i automobili s distribucijom težine daleko od idealnih 50:50 pokazali uspješnima na cesti i na pisti. Budući da se na pisti ipak postižu ekstremniji uvjeti kada distribucija težine češće igra veću ulogu, prije će se pokazati koliko se automobil mora upravljati prebacivanjem težine. Prisjetimo se, težina je zapravo masa kao svojstvo tvari u sprezi s akceleracijom (kraće rečeno, W=m*g). Tako objekt iste mase, npr. kamion TAM 80 (Tamić), na Zemlji teži oko 2400 kg, a na Mjesecu bi imao težinu oko 400 kg. Za realniju usporedbu mogli smo koristiti Lunohod ili Lunarni rover te izraziti težinu u njutnima, ali ovaj primjer je bliži svakodnevnici, isto kao što smo iskustvom “kalibrirani” više na konjske snage nego na kilovate.

Isto tako, kada automobil npr. koči, težina mu se seli prema prednjem kraju; masa je ista, ali veća težina počne opterećivati prednje kotače, tj. stražnji se kotači rasterećuju. Automobil se tada lakše rotira, naravno, ako se ne pretjera pa dođe do proklizavanja kotača. Tako se dinamički povećava agilnost automobila, no na koncu, inherentno svojstvo idealne distribucije težine načinom ugradnje motora i samo donosi prednost (makar takvi auti mogu biti “nervozni” i teže ih je “izvući” kada jednom počnu klizati, i to iz istog razloga koji smo u prethodnom primjeru tranzicije težine naveli kao pomoć – motor u repu, moment/inercija pobijedi mogućnost prianjanja guma, i zadnji kraj automobila je u grabi…).

FR vs. MR?
Česte su engleske skraćenice za konfiguraciju pogonskog sklopa automobila. Sastoje se od dva ili tri slova, pri čemu prvo ili prva dva označavaju poziciju motora (Front/naprijed, FrontMid/naprijed središnje, RearMid/straga središnje, Rear/straga), a drugo pogonske kotače (Front/prednji, Rear/stražnji te u slučaju pogona na sve kotače na to mjesto dolazi broj 4).

Tako je primjer F4 automobila Jensen FF, primjer FMR konfiguracije su stari bolidi poput Alfa Romea 8C iz 1930-ih, gdje se jasno vidi kako je motorni prostor iza prednjih kotača (tj. kako su prednji kotači ispred motora), primjer RR je VW Buba, s bokser motorom u repu kao i npr. Tatra (za neke modele) te Tucker 48 (zvan i Torpedo), itd. Većina današnjih cestovnih automobila su FF konfiguracije.

Zašto je pozicija i orijentacija motora važna?
Najkraće rečeno, FF automobili osvojili su tržište zbog predvidivih karakteristika vožnje, tendencije podupravljanja prije preupravljanja, relativne jednostavnosti izrade, pristupa pod haubom radi servisa te ukupnog korištenja prostora pod limom karoserije. Za prosječnog kupca bitan je konačni ishod inženjeringa: stabilni i praktični automobil. No, ako su vozaču bitna dinamička svojstva automobila i iskustvo vožnje, onda će svakako uživati u varijacijama ponašanja automobila zbog načina ugradnje motora i projektiranja čitavog automobila, a za trkaće uvjete će težiti balansu koji pruža centralno ugrađeni motor.