سیستم چهارچرخ‌محرک: تاریخچه، فناوری و نحوه کار سامانه‌های AWD

این مقاله در آغاز قرار بود یک راهنمای فنی سرراست باشد — چیزی شبیه «هر آنچه همیشه می‌خواستید درباره‌ی سیستم چهار چرخ محرک بدانید اما نمی‌دانستید از چه کسی بپرسید». برنامه این بود که توضیح دهیم دیفرانسیل باز چه تفاوتی با کوپلینگ ویسکوز یا واحد Haldex دارد، دیفرانسیل خودقفل‌شونده در واقع چه کاری انجام می‌دهد و چرا هیچ‌کدام از این‌ها اهمیت دارند. اما هرچه عمیق‌تر در تاریخ کاوش کردیم، ماجرا شگفت‌انگیزتر شد. نخستین خودروی سواری با چهار چرخ محرک دائمی بیش از صد سال پیش در هلند ساخته شد. و در سال 1935، یک خودروی مسابقه‌ای آمریکایی با چهار چرخ محرک به‌طرز حیرت‌انگیزی نزدیک بود مسیر تاریخ جهان را تغییر دهد.

اصلاً چرا یک خودروی سواری به چهار چرخ محرک نیاز دارد؟ در قرن بیست‌ویکم پاسخ بدیهی به‌نظر می‌رسد: چسبندگی بهتر، هرزگردی کمتر روی سطوح لغزنده و پایداری بهتر هنگام اعمال قدرت. چهار چرخ محرک به‌سادگی از دو چرخ محرک بهتر است. با این حال صنعت خودرو به‌طرز شگفت‌آوری دیر به این موضوع واکنش نشان داد. از هر تاریخ‌نگار خودرو بپرسید، به شما خواهد گفت که دوران چهار چرخ محرک برای خودروهای انبوه در سال 1980 با Audi Quattro آغاز شد، با چند پیش‌گام نادر — ابرخودروی بریتانیایی Jensen FF مدل 1966 و Subaru Leone 4WD مدل 1972. یک متخصص واقعی اضافه خواهد کرد که سوباروهای چهار چرخ محرک اولیه اصلاً چهار چرخ محرک دائمی نبودند. آن‌ها پاره‌وقت (part-time) بودند. و همین تمایز است که در نهایت تمام داستان را رقم می‌زند.

چهار چرخ محرک پاره‌وقت: یک راه‌حل موقت

محرک کردن تنها یک محور آن‌هم فقط در بخشی از زمان، یک مصالحه است و برای یک خودروی جاده‌ای مصالحه‌ای ظریف هم نیست. اصطلاح «چهار چرخ محرک پاره‌وقت» از دنیای شاسی‌بلندها و کامیون‌های آفرود می‌آید. در این آرایش یک محور به‌طور دائم محرک است و محور دیگر در صورت نیاز به‌صورت صُلب متصل می‌شود — اما این اتصال صُلب تنها در خارج از جاده قابل استفاده است. روی آسفالت باید سیستم به‌کلی از مدار خارج شود.

چرا اتصال صُلب روی آسفالت شکست می‌خورد

• وقتی خودرو می‌پیچد، چرخ‌های جلو کمانی بلندتر از چرخ‌های عقب طی می‌کنند و بنابراین باید سریع‌تر بچرخند.
• در یک سیستم چهار چرخ محرک با اتصال صُلب، چسبندگی چرخ‌های جلو کاهش می‌یابد در حالی که گشتاور در عقب افزایش می‌یابد.
• در برخی موارد چرخ‌های جلو به‌جای نیروی محرکه، نیروی ترمزی تولید می‌کنند — که مقاومت اضافه می‌کند و فرمان‌پذیری خودرو را دشوارتر می‌سازد.
• روی سطوح سست مانند گل یا برف این وضعیت قابل تحمل است، اما روی آسفالت باعث گیر کردن شدید مجموعه‌ی انتقال قدرت و بروز مشکلات فرمان‌پذیری می‌شود.

در یک پیچ، هر چرخ کمان مخصوص خود را دنبال می‌کند و باید با سرعت مخصوص خود بچرخد. به همین دلیل است که چهار چرخ محرک دائمی به سه دیفرانسیل نیاز دارد: دو دیفرانسیل میان چرخ‌های هر محور، و یک دیفرانسیل میان خودِ محورها، تا جلو و عقب بتوانند مستقل از یکدیگر بچرخند.

خودروهای پاره‌وقت: از GAZ-61 تا Subaru Leone

با وجود همه‌ی این‌ها، چهار چرخ محرک با اتصال صُلب به چند خودروی جاده‌ای هم راه یافت، هرچند از نظر ماهیت به کامیون‌های آفرود نزدیک‌تر بودند. در اتحاد جماهیر شوروی، GAZ-61 با نام «Emka» — یک سدان چهار چرخ محرک با موتور شش‌سیلندر و محور جلوی پاره‌وقت — همان اوایل سال 1938 به تولید سری‌محدود رسید. پس از جنگ، همین ایده در خودروی آفرود GAZ-M72 «Pobeda» و Moskvitch-410 ظاهر شد. Subaru Leone 4WD مدل 1972 دقیقاً از همین منطق پیروی می‌کرد: ساخته‌شده برای مسیرهای ناهموار، بلندتر از سوباروهای جلومحرک، با محور عقبی که راننده آن را با دست درگیر می‌کرد.

استیشن‌واگن Subaru Leone 4WD (1972–1979) نسخه‌ی چهار چرخ محرکِ اقتباس‌شده از یک پلتفرم جلومحرک بود، با محور عقب که به‌صورت دستی متصل می‌شد. مشخصات کلیدی آن عبارت بودند از:

• گزینه‌های موتور: 1.4 لیتری (72 اسب بخار) یا 1.6 لیتری (80 اسب بخار)
• سبک‌های بدنه: استیشن‌واگن، سدان و وانت
• درگیری چرخ‌های محرک عقب: در خودروهای دنده‌دستی به‌صورت دستی؛ در خودروهای اتوماتیک به‌صورت خودکار از طریق یک کلاچ اصطکاکی چنددیسکی
• این آرایش پاره‌وقت روی همه‌ی سوباروهای چهار چرخ محرک تا سال 1989 ادامه یافت

مشکل اصلی سیستم محرک پاره‌وقت این است که روی جاده‌های آسفالته — جایی که بیشتر خودروها بیشتر عمر خود را در آن می‌گذرانند — بی‌فایده است، و با این حال خودرو وزن یک جعبه‌ی انتقال قدرت، یک شفت انتقال دوم و یک مجموعه‌ی محور اضافی کامل را همه‌جا با خود حمل می‌کند. تبدیل یک سیستم پاره‌وقت به سیستم تمام‌وقت دقیقاً به یک قطعه‌ی دیگر نیاز دارد: یک دیفرانسیل مرکزی درون جعبه‌ی انتقال قدرت.

چهار چرخ محرک تمام‌وقت: چگونه کار می‌کند و چرا اهمیت دارد

سه دیفرانسیل، یک اصل

دیفرانسیل مرکزی کلید چهار چرخ محرک دائمی است. دو دیفرانسیل بین‌چرخی اجازه می‌دهند چرخ‌های چپ و راست هر محور در پیچ با سرعت‌های متفاوت بچرخند. دیفرانسیل مرکزی همین کار را میان محور جلو و عقب انجام می‌دهد. خودرویی که هر سه را داشته باشد می‌تواند روی هر سطحی چهار چرخ محرک دائمی داشته باشد بدون آنکه مجموعه‌ی انتقال قدرت گیر کند یا فرمان‌پذیری کند شود.

در تئوری به‌قدر کافی ساده است — با این حال تا اوایل دهه‌ی 1980 صنعت خودرو چهار چرخ محرک تمام‌وقت را روی یک خودروی جاده‌ای غیرضروری می‌دانست. باور رایج این بود که چرخاندن یک جفت چرخ دوم و هر آنچه به آن‌ها متصل است روی آسفالت خشک تنها سروصدا و مصرف سوخت را افزایش می‌دهد.

What the Quattro Proved

Audi Quattro این طرز فکر را برای همیشه تغییر داد. یک سیستم تمام‌وقت با پخش کردن گشتاور موتور میان هر چهار چرخ در تمام مدت:

• حاشیه‌ی چسبندگی بیشتری برای مهار نیروهای جانبی در پیچ‌ها باقی می‌گذارد
• پایداری را هنگام شتاب‌گیری یا ترمزگیری در میانه‌ی پیچ به‌طور چشمگیری بهبود می‌بخشد
• خطر بیش‌فرمانی یا کم‌فرمانی ناگهانی ناشی از فرمان‌های پدال گاز را کاهش می‌دهد

Audi 80 Quattro اواخر دهه‌ی 1980 نشان می‌دهد که این آرایش چقدر پالوده شد. معماری Quattro در مقایسه با گیربکس رقیب یعنی Ferguson Formula فشرده‌تر است. از سال 1984 آئودی دیفرانسیل خودقفل‌شونده‌ی Torsen را نصب کرد — دستگاهی کاملاً مکانیکی که به‌جای اختلاف سرعت چرخ‌ها، به گشتاور هر شفت خروجی واکنش نشان می‌دهد. برخلاف کوپلینگ ویسکوز، Torsen تنها هنگام کشش قفل می‌شود و هرگز هنگام ترمزگیری قفل نمی‌شود، که آن را کاملاً با ABS سازگار و در هنگام کاهش سرعت پایدارتر می‌کند.

شایان ذکر است که Range Rover (1970) و Lada Niva روسی (1976) عموماً به‌عنوان نخستین خودروهای تولید انبوه با دیفرانسیل مرکزی شناخته می‌شوند — اما هر دو کاملاً آفرود هستند. ادعای Audi Quattro به‌طور مشخص این است که نخستین خودرو در میان خودروهای سواری باشد.

نخستین خودروهای مسابقه‌ای چهار چرخ محرک: از Spyker تا Bugatti

آیا طراحان خودروهای مسابقه‌ای پیش از دوران Quattro چهار چرخ محرک تمام‌وقت را کاوش کرده بودند؟ قاطعانه بله — و این داستان بسیار دورتر از آنچه بیشتر مردم تصور می‌کنند به عقب بازمی‌گردد.

Porsche’s Four-Wheel-Drive Experiments

نخستین پروژه‌ی Ferdinand Porsche پس از جنگ یک خودروی مسابقه‌ای چهار چرخ محرک بود: Cisitalia 360، با موتور میانی و پیشرانه‌ی دوازده‌سیلندر 1.5 لیتری. با این حال، چهار چرخ محرک جلوی آن پاره‌وقت بود — راننده آن را در مسیرهای مستقیم درگیر می‌کرد و پیش از پیچ‌ها به حالت چرخ‌های محرک عقب بازمی‌گشت.

در واقع Porsche بسیار پیش‌تر از آن یک خودروی چهار چرخ محرک ساخته بود: یک خودروی برقی با چهار موتور مجزا برای هر چرخ، متعلق به سال 1900.

The Spyker 60 HP, 1902

شوک واقعی برای تاریخ‌نگاران خودرو، خودروی مسابقه‌ای مدل 1902 ساخته‌ی سازنده‌ی هلندی Spyker است. در زمانی که حتی ترمزها هم تنها روی چرخ‌های عقب نصب می‌شدند، این خودرو چهار چرخ محرک تمام‌وقتِ واقعی، از جمله دیفرانسیل مرکزی، داشت.

Spyker در سال 1880 توسط برادران Spijker به‌عنوان سازنده‌ی کالسکه‌های اسبی تأسیس شده بود. نخستین خودروی آن‌ها در سال 1900 پدیدار شد و دو سال بعد، با همکاری طراح بلژیکی Joseph Valentin Laviolette، خودروی مسابقه‌ای چهار چرخ محرک Spyker 60 HP (1902–1907) را تولید کردند. مشخصات آن برای آن دوره خارق‌العاده بود:

• سه دیفرانسیل — دیفرانسیل مرکزی و هر دو دیفرانسیل بین‌چرخی
• سه سازوکار ترمز مجزا — دو تا روی چرخ‌های عقب، یکی روی شفت انتقال جلو
• یک سیستم چهار چرخ محرک که تا دهه‌ها از نظر مفهومی بی‌رقیب باقی ماند

بنابراین مفهوم چهار چرخ محرک تمام‌وقت به‌خوبی بیش از یک قرن قدمت دارد. Spykerهای چهار چرخ محرک زیادی ساخته نشدند — آن‌ها بسیار گران بودند و هرگز در مسابقات دستاورد چندانی نداشتند. دو پروژه‌ی جاه‌طلبانه‌تر در اوایل دهه‌ی 1930 در پی آمدند.

Bugatti Tipo 53 and Miller FWD

Bugatti Tipo 53 با مهندس Fiat یعنی Antonio Pichetto آغاز شد، کسی که این ایده را در سال 1930 با Ettore Bugatti در میان گذاشت. سه خودرو در سال 1932 تکمیل شدند، هر یک با:

• یک موتور هشت‌سیلندر خطی سوپرشارژ با 300 اسب بخار
• چهار چرخ محرک تمام‌وقت با سه دیفرانسیل
• جعبه‌ی انتقال قدرت و دیفرانسیل مرکزی یکپارچه‌شده با گیربکسی که جداگانه نصب شده بود
• شفت‌های انتقال برای هر دو محور که در سمت چپ خودرو قرار گرفته بودند
• یک سیستم تعلیق جلوی مستقل روی فنر عرضی — که برای Bugatti غیرمعمول بود

Tipo 53 در پیچ‌های شنی از خودروهای عقب‌محرکِ هم‌دوره‌ی خود پیشی می‌گرفت، اما فرمان آن به‌طرز وحشتناکی سنگین بود: شفت‌های انتقال جلو به‌جای اتصالات هم‌سرعت (CV) از اتصالات کاردان معمولی استفاده می‌کردند. این سه خودرو تا سال 1935 در مسابقات شرکت داشتند.

Miller FWD تا حدی از آنجا پدید آمد که طراح آمریکایی Harry Miller یک Bugatti جلومحرک را که مشخصاً برای باز کردن و بررسی خریده شده بود مطالعه کرده بود. Miller با الهام از آنچه یافت، شاسی چهار چرخ محرک خود را با حمایت مالی شرکت کامیون‌سازی FWD توسعه داد. یکی از Millerهای چهار چرخ محرک در مسابقه‌ی Indianapolis 500 سال 1934 پیشتاز بود تا آنکه یک نقص فنی آن را به رتبه‌ی نهم تنزل داد.

A Near Miss at AVUS, 1935

این خودروها همچنین به یکی از عجیب‌ترین لحظه‌های «چه می‌شد اگر» در تاریخ خودرو گره خورده‌اند. در جریان مسابقه‌ای در پیست AVUS در برلین در سال 1935، یک Miller چهار چرخ محرک در حال حرکت در رتبه‌ی سوم بود که موتور هشت‌سیلندر خطی آن به‌طور فاجعه‌باری از کار افتاد و قطعاتی را به‌سوی جایگاه تماشاگران پرتاب کرد. آدولف هیتلر آن روز در جایگاه حضور داشت. اگر حتی یک قطعه‌ی کوچک به او می‌رسید، مسیر جنگ جهانی دوم — و مسیر تاریخ جهان — می‌توانست کاملاً متفاوت باشد.

Ferguson Formula: سیستم چهار چرخ محرکی که همه‌چیز را تغییر داد

مشکل دیفرانسیل مرکزی باز

برای دنبال کردن فصل بعدی، بازگشت به یک محدودیت بنیادین دیفرانسیل مرکزی باز کمک‌کننده است. یک دیفرانسیل باز اجازه می‌دهد یک محور آزادانه بچرخد در حالی که محور دیگر اصلاً هیچ گشتاوری دریافت نمی‌کند. اگر چرخ‌های عقب به‌طور کامل چسبندگی خود را از دست بدهند، چرخ‌های جلو می‌توانند بی‌حرکت بمانند در حالی که چرخ‌های عقب هرز می‌روند — و دیفرانسیل هیچ کاری برای جلوگیری از آن انجام نمی‌دهد.

پاسخ دنیای شاسی‌بلندها قفل مثبت بود: راننده سازوکاری را درگیر می‌کند که چرخ‌دنده‌های دیفرانسیل را به‌صورت صُلب قفل می‌کند و درگیری دیفرانسیلی را به یک اتصال یکپارچه تبدیل می‌کند. Range Roverهای اولیه از آن استفاده می‌کردند، Lada Niva و ده‌ها خودروی آفرود دیگر نیز همین‌طور — و همچنین Audi Quattro نسل اول، که تا سال 1984 راننده باید دیفرانسیل مرکزی را با دست قفل می‌کرد. اما قفل دستی یک مصالحه‌ی دیگر است. باید روی سطوح سخت آزاد شود، و اگر چرخی به‌طور غیرمنتظره روی جاده‌ی لغزنده شروع به هرزگردی کند، هیچ فایده‌ای ندارد.

Rolt، Dixon و Harry Ferguson

نخستین دیفرانسیل مرکزی خودقفل‌شونده‌ی خودکار کار راننده‌ی مسابقه و مهندس بریتانیایی Tony Rolt بود. او پیش از جنگ به‌همراه دوست و هم‌تیمی مسابقه‌اش Fred Dixon کارگاه Rolt/Dixon Developments را اداره می‌کرد؛ پس از جنگ، این دو شیفته‌ی آنچه چهار چرخ محرک دائمی می‌توانست انجام دهد شدند. آن‌ها یک بستر آزمایشی چهار چرخ محرک با نام «Crab» ساختند، و در سال 1950 با Harry Ferguson — سازنده‌ی موفق تراکتور — دست به دست هم دادند تا Harry Ferguson Research را تشکیل دهند.

Ferguson به‌دنبال یک خودروی مسابقه‌ای نبود. او یک خودروی جاده‌ای واقعاً ایمن می‌خواست: خودرویی که چرخ‌هایش نه هنگام شتاب‌گیری هرز بروند و نه هنگام ترمزگیری قفل شوند. Rolt و Dixon دست به کار شدند تا آن را از صفر طراحی کنند — بدنه، گیربکس و مجموعه‌ی انتقال قدرت را یک‌جا — و طراح باتجربه Claude Hill، از اعضای پیشین Aston Martin، مهندس ارشد بود. سدان آزمایشی Ferguson R4 پس از شش سال کار تکمیل شد و مشخصات آن برای سال 1956 چشمگیر بود:

• چهار چرخ محرک دائمی با دیفرانسیل مرکزی خودقفل‌شونده
• A flat-four engine
• ترمز دیسکی روی هر چهار چرخ
• سیستم ترمز ضدقفل الکترومکانیکی Dunlop MaxaRet، اقتباس‌شده از صنعت هوانوردی

درون جعبه‌ی انتقال قدرت Ferguson Formula

قلب گیربکس Ferguson Formula یک سازوکار خودقفل‌شونده‌ی هوشمندانه درون جعبه‌ی انتقال قدرت بود. این واحد علاوه بر دیفرانسیل، یک مجموعه‌ی چرخ‌دنده‌ی اضافی، دو کلاچ یک‌طرفه‌ی ساچمه‌ای و دو بسته دیسک اصطکاکی را در خود جای داده بود. در حالت عادی این اجزا آرام و بی‌بار می‌چرخیدند. اما به‌محض آنکه چرخ‌های یکی از محورها شروع به لغزش می‌کردند — و اختلافی در سرعت شفت‌های خروجی پدید می‌آمد — یکی از کلاچ‌ها درگیر می‌شد، بسته‌ی اصطکاکی خود را به چرخ‌دنده‌های دیفرانسیل می‌فشرد و درگیری دیفرانسیلی را در همان لحظه به یک اتصال یکپارچه تبدیل می‌کرد.

نمونه‌ی اولیه‌ی دوم، یعنی استیشن Ferguson R5 مدل 1962، حتی بهتر بود. آزمایش‌گران Autocar اشاره کردند که این خودرو در سرعت‌هایی که تقریباً ناممکن به‌نظر می‌رسید به مرز چسبندگی می‌رسید. با این حال، هیچ سازنده‌ای حاضر نشد Ferguson را به تولید برساند؛ پیچیدگی و هزینه بیش از حد بود.

The Jensen FF Goes on Sale

در سال 1962 Tony Rolt مدیریت Jensen Cars را متقاعد کرد که گیربکس Ferguson Formula را برای کوپه‌ی در راه آن‌ها یعنی CV8 و موتور Chrysler V8 با 300 اسب بخارش تطبیق دهند. سه سال بعد یک Jensen CV8 FF آزمایشی چهار چرخ محرک در حال کار بود.

در سال 1966 Jensen Interceptor جایگزین CV8 شد، و در کنار کوپه‌ی استاندارد عقب‌محرک، Jensen نسخه‌ای چهار چرخ محرک با نشان کوچک و ظریف «FF» — مخفف «Formula Ferguson» — عرضه کرد. Jensen FF به نخستین خودروی تولید انبوه جهان تبدیل شد که دیفرانسیل مرکزی خودقفل‌شونده را با ABS ترکیب کرد. مشخصات کلیدی آن عبارت بودند از:

• موتور بلوک‌بزرگ Chrysler V8 با حجم 6.3 لیتر و تولید 325 اسب بخار
• گیربکس اتوماتیک سه‌سرعته‌ی TorqueFlite یا دستی چهارسرعته
• تقسیم نامتقارن گشتاور: 63٪ به محور عقب، 37٪ به جلو — برای حفظ خصوصیات فرمان‌پذیری خودروی عقب‌محرک
• ABS تک‌کاناله‌ی Dunlop MaxaRet
• فرمان هیدرولیکی شانه‌ای (رک‌وپینیون) و ترمز دیسکی در هر چهار چرخ
• سرعت نهایی 212 km/h؛ شتاب 0–100 km/h در 7.7 ثانیه؛ وزن خالص تقریباً 1,800 کیلوگرم
• قیمت در بریتانیا در سال 1968: تقریباً £6,000 — مشابه ارزان‌ترین Rolls-Royce
• Total production: 318 cars (1966–1971)

همه‌ی روزنامه‌نگاران خودرویی آن دوره پایداری Jensen FF و آنچه را «حاشیه‌ی چسبندگی تقریباً نامحدود روی آسفالت خیس» توصیف می‌کردند ستودند. Harry Ferguson هرگز این خودرو را ندید: او در سال 1960 درگذشت.

چرا Ferguson Formula اهمیت داشت

چرا این‌قدر روی Ferguson Formula وقت بگذاریم؟ زیرا Harry Ferguson Research نخستین سازمان در سراسر جهان بود که چهار چرخ محرک را در درجه‌ی نخست به‌عنوان ابزاری برای ایمنی فعال می‌نگریست، نه به‌عنوان پاسخی به چسبندگی در آفرود.

تقسیم نامتقارن گشتاور اقدامی عامدانه در برابر غیرقابل‌پیش‌بینی بودنی بود که گریبان سیستم‌های متقارن را می‌گیرد. به یک خودروی عقب‌محرک در پیچی لغزنده گاز زیاد بدهید، به‌طور قابل‌پیش‌بینی بیش‌فرمانی می‌کند. همین کار را با یک خودروی جلومحرک انجام دهید، به‌طور قابل‌پیش‌بینی کم‌فرمانی می‌کند. آن را در یک خودروی چهار چرخ محرک متقارن انجام دهید و پاسخ به این بستگی دارد که کدام محور اتفاقاً چسبندگی بدتری دارد — که مبهم و خطرناک است. Ferguson Formula با متمایل کردن گشتاور به عقب، به Jensen FF در بیشتر شرایط رفتاری نزدیک به خودروی عقب‌محرک بخشید.

اختراع کوپلینگ ویسکوز

سازوکار Ferguson یک محدودیت واقعی داشت: کلاچ‌های یک‌طرفه‌ی آن به‌صورت دوحالته و روشن-خاموش کار می‌کردند. جهش از دیفرانسیل باز به قفل کامل آنی بود و همین می‌توانست در لحظه‌ی درگیری ابهام مخصوص به خود را ایجاد کند. آنچه لازم بود سازوکاری بود که بتواند درجه‌ی قفل‌شدگی را به‌نرمی تغییر دهد.

در اواخر دهه‌ی 1960 Tony Rolt و Derek Gardner — که بعدها طراح ارشد خودروهای Formula 1 تیم Tyrrell شد — آزمایش با سیال سیلیکونی به‌کاررفته در فن‌کلاچ‌های ویسکوز را آغاز کردند. حاصل کار کوپلینگ ویسکوز بود: یک محفظه‌ی استوانه‌ای پر از سیال سیلیکونی که بسته‌های متناوب دیسک‌های اصطکاکیِ متصل به هر شفت خروجی را در خود جای داده بود.

How a Visco-Coupler Works

• در شرایط عادی، وقتی همه‌ی چرخ‌ها با سرعت‌های مشابه می‌چرخند، بسته‌های دیسک به‌سختی نسبت به یکدیگر حرکت می‌کنند و کوپلینگ هیچ تأثیری بر دیفرانسیل ندارد.
• وقتی یک محور شروع به لغزش می‌کند، شفت خروجی آن سریع‌تر می‌چرخد و باعث می‌شود بسته‌های دیسک نسبت به یکدیگر بچرخند و سیال سیلیکونی را برش دهند.
• این برش، دما و فشار درون کوپلینگ را افزایش می‌دهد و گرانروی (ویسکوزیته) سیال را به‌شدت بالا می‌برد.
• این افزایش گرانروی باعث می‌شود دیسک‌ها بر یکدیگر کشیده شوند، به‌تدریج شفتی را که سریع‌تر می‌چرخد ترمز کنند و دیفرانسیل را به‌طور جزئی یا کامل قفل کنند.

FF Developments و AMC Eagle

Tony Rolt پس از ثبت اختراع کوپلینگ ویسکوز، در سال 1971 شرکت FF Developments (FFD) را برای فروش تجاری گیربکس‌های چهار چرخ محرک تأسیس کرد. کارهای اولیه پرزرق‌وبرق نبودند: ون‌های چهار چرخ محرک Bedford برای سازمان جنگل‌بانی بریتانیا، یک سری خودروی پلیس Ford Zephyr FF، و سدان‌های Opel Senator 4×4 برای مأموریت نظامی بریتانیا در برلین.

مهم‌ترین کار تولیدی FFD گیربکس AMC Eagle (1979–1988) بود — نسخه‌ی ارتفاع‌بلندِ چهار چرخ محرک از سدان AMC Concord، روی لاستیک‌های بزرگ‌تر و با 75 میلی‌متر افزایش ارتفاع بدنه. Eagle نخستین خودروی تولید انبوه در جهان بود که دیفرانسیل مرکزی خود را با یک کوپلینگ ویسکوز قفل می‌کرد. این خودرو به‌عنوان یک آفرود ملایم و نه یک خودروی پرفورمنس طراحی شده بود، با این حال معماری گیربکس آن نیای مستقیم برخی از ستوده‌شده‌ترین خودروهای سریع چهار چرخ محرک ساخته‌شده است، از جمله Subaru Impreza WRX اولیه و Mitsubishi Lancer Evolution.

دیفرانسیل‌های خودقفل‌شونده: از Torsen تا کنترل الکترونیکی

Audi’s Packaging Trick

وقتی Audi Quattro در سال 1981 — دو سال پس از AMC Eagle — به تولید رسید، از یک دیفرانسیل مرکزی باز متعارف با قفل مثبت دستی استفاده می‌کرد. ظرافت راه‌حل آئودی در چیدمان اجزا بود. موتور طولی مستقیماً به‌سوی محور عقب نشانه رفته بود و دیفرانسیل مرکزی مستقیماً درون گیربکس قرار می‌گرفت: شفت ثانویه توخالی ساخته شد و شفت انتقال جلو از درون آن عبور داده شد. تیم Ferdinand Piëch یک تقسیم متقارن 50:50 میان جلو و عقب را برگزید.

The Torsen Differential

در سال 1984 اهرم‌های قفل دستی سرانجام از کابین آئودی‌ها ناپدید شدند و جای خود را به دیفرانسیل خودقفل‌شونده‌ی Torsen — برگرفته از TORque SENsing به معنای «حس‌گر گشتاور» — دادند. برشمردن مزایای آن ارزشمند است:

• کاملاً مکانیکی است — به هیچ الکترونیک، سیال یا دخالت راننده‌ای نیاز ندارد
• به‌جای اختلاف سرعت، به تغییرات گشتاور روی شفت‌های خروجی واکنش نشان می‌دهد، یعنی می‌تواند پیش از آنکه هرزگردی چرخ واقعاً آغاز شود واکنش دهد
• برخلاف کوپلینگ ویسکوز، تنها هنگام کشش قفل می‌شود، نه هنگام ترمزگیری، و همین آن را کاملاً با ABS سازگار می‌کند
• قفل و باز شدن نرم و پیوسته است، بدون هیچ‌گونه جهش دوحالته

Torsen پس از آنکه خود را روی خودروهای سریع به اثبات رساند، مورد توجه مهندسان شاسی‌بلندهایی قرار گرفت که در پی فرمان‌پذیری خودرومانند بودند. امروزه در Range Rover، Volkswagen Touareg، Porsche Cayenne و Toyota Land Cruiser Prado به کار می‌رود.

گروه B و مسابقه‌ی تسلیحاتی رالی

در دهه‌ی 1980 سلطه‌ی Quattro در رالی یک مسابقه‌ی تسلیحاتی چهار چرخ محرک را به راه انداخت. ظرف چند فصل، این خودروهای رالی چهار چرخ محرک همگی پدیدار شدند که هر یک در دیفرانسیل‌های خودقفل‌شونده‌ی خود از فناوری کوپلینگ ویسکوز FFD بهره می‌بردند:

• Peugeot 205 T16
• Austin Metro 6R4
• Lancia Delta S4
• Ford RS200

Stuart Rolt، پسر Tony، در آن سال‌ها روابط FFD با تیم‌های رالی را مدیریت می‌کرد.

در اوایل دهه‌ی 1990 کارخانه‌ی AZLK در روسیه نیز به سراغ FFD آمد و خواستار نسخه‌ی رالیِ چهار چرخ محرک از Moskvitch 2141 شد. این خودروی آزمایشی که حول همان آرایش سه‌دیفرانسیلی Ford RS200 ساخته شده بود، در شرایط سخت با پیش‌بینی‌پذیری چشمگیری فرمان می‌پذیرفت. آزمایش‌ها اصلی را آشکار کرد که هنوز برقرار است: سفتیِ قفل‌شدنِ هر کوپلینگ ویسکوز را جداگانه تنظیم کنید تا تعادل خودرو نیز همراه با آن تغییر کند.

• دیفرانسیل بین‌چرخی عقبِ سفت‌تر ← تمایل بیشتر به بیش‌فرمانی
• دیفرانسیل جلو یا مرکزیِ سفت‌تر ← کم‌فرمانی و پایداری بیشتر

Electronic Control Arrives

همین قابلیت تنظیم دقیقاً دلیلی است که خودروهای مدرن WRC به‌جای کوپلینگ‌های ویسکوز غیرفعال، در هر سه دیفرانسیل از بسته‌های کلاچ چنددیسکی با کنترل الکترونیکی استفاده می‌کنند. عملگرهای هیدرولیکی و یک رایانه‌ی روی خودرو، میزان قفل هر دیفرانسیل را به‌صورت آنی تغییر می‌دهند — کلاچ‌ها را هنگام ورود به پیچ آزاد می‌کنند تا خودرو آزادانه بچرخد، و سپس همان‌طور که راننده در مسیر مستقیم شتاب می‌گیرد آن‌ها را به‌تدریج می‌فشرند، تا حداکثر چسبندگی بدون کم‌فرمانی به دست آید.

دو سازنده در به‌کارگیری دیفرانسیل‌های با کنترل الکترونیکی در خودروهای جاده‌ای پیشگام بودند:

• Mercedes-Benz 4Matic (1986، E-Class مدل W124): سه کلاچ با کنترل الکترونیکی به‌ترتیب محور جلو را متصل می‌کردند، سپس دیفرانسیل مرکزی را قفل می‌کردند و آنگاه بنا بر شرایط دیفرانسیل عقب را قفل می‌کردند. این سیستم مؤثر اما بیش از حد پیچیده بود، و الکترونیک آن می‌توانست باعث شود چرخ‌های جلو روی سطوح سست به‌طور محسوسی وصل و قطع شوند.
• Porsche 959 (1986): دو کلاچ با کنترل الکترونیکی که در چهار حالت قابل‌انتخاب توسط راننده کار می‌کردند. سیستم 959 پیچیده‌تر و برای استفاده‌ی پرفورمنس‌بالا مناسب‌تر بود.

جایگزینی دیفرانسیل: Haldex و سیستم‌های ساده‌شده‌ی چهار چرخ محرک

The Visco-Coupler on Its Own

در حالی که مهندسان رالی دیفرانسیل‌های خودقفل‌شونده را تا آخرین حد ممکن پیش می‌بردند، طراحان خودروهای سواری معمولی راه دیگری در پیش گرفتند — حذف کامل دیفرانسیل مرکزی و قرار دادن یک کوپلینگ ویسکوز به‌جای آن. Volkswagen Golf II Syncro مدل 1985 نخستین خودروی سواری اروپایی بود که این کار را کرد، با گیربکسی که مهندسان GKN — شرکتی که در سال 1969 FFD را تصاحب کرده بود — توسعه دادند.

برای تولید انبوه، این ساده‌سازی سودمند بود:

• مدل چهار چرخ محرک بیشتر قطعات خود را با نسخه‌ی استاندارد جلومحرک مشترک داشت، که هزینه و پیچیدگی ساخت را کاهش می‌داد
• در شرایط عادی، خودرو دقیقاً مانند یک خودروی جلومحرک رانده می‌شد
• وقتی چرخ‌های جلو می‌لغزیدند، کوپلینگ ویسکوز می‌توانست ظرف تقریباً 0.2 ثانیه تا 70٪ گشتاور را به عقب منتقل کند

با این حال، این تأخیر یک ضعف در فرمان‌پذیری ایجاد می‌کرد. خودرویی که مانند یک خودروی جلومحرک رفتار می‌کرد و از دماغه به بیرون رانده می‌شد، می‌توانست در لحظه‌ی درگیر شدن کوپلینگ به‌طور ناگهانی به رفتار متمایل‌به‌عقب تغییر کند — و راننده‌اش را غافلگیر کند. سازندگان ژاپنی پاسخ‌های گوناگونی را آزمودند، از جمله نصب کوپلینگ‌های بیشتر: Nissan Sunny/Pulsar مدل 1988 از سه کوپلینگ استفاده می‌کرد، یکی برای درگیر کردن چرخ‌های محرک عقب و یکی برای قفل کردن هر دیفرانسیل بین‌چرخی. Mazda Concerto 4WD حتی فراتر رفت و هم دیفرانسیل مرکزی و هم دیفرانسیل بین‌چرخی عقب را با کوپلینگ ویسکوز جایگزین کرد.

The Haldex Clutch

گام بعدی، کوپلینگ ویسکوز را با یک کلاچ چنددیسکی هیدرولیکی با کنترل الکترونیکی جایگزین کرد — بسیار سریع‌تر و به‌مراتب دقیق‌تر قابل کنترل. شناخته‌شده‌ترین نمونه کوپلینگ Haldex است که روی Volkswagen Golf IV و هم‌پلتفرم‌هایش جای کوپلینگ ویسکوز را گرفت. این‌گونه کار می‌کند:

• بادامک‌های پیشانی هرگونه اختلاف سرعت چرخشی میان شفت‌های جلو و عقب را تشخیص می‌دهند
• غلتک‌هایی که روی سطوح بادامک حرکت می‌کنند پیستون‌ها را در سیلندرهای حلقوی می‌رانند و سیال هیدرولیک را پمپ می‌کنند
• فشار سیال بسته‌ی کلاچ چنددیسکی را می‌فشرد و گشتاور را به محور عقب منتقل می‌کند
• یک شیر سلونوئیدی که توسط الکترونیک خودرو کنترل می‌شود، می‌تواند در هر لحظه فشار را آزاد کند — و توزیع گشتاورِ بی‌نهایت متغیر را ممکن سازد

بیشتر خودروها و کراس‌اوورهای چهار چرخ محرکِ امروزی از نسخه‌ای از همین کلاچ با کنترل الکترونیکی استفاده می‌کنند، خواه Haldex روی خودروهای گروه Volkswagen باشد، خواه VTM-4 هوندا یا xDrive بی‌ام‌و. کلاچ‌های مدرن آن‌قدر سریع عمل می‌کنند که تأخیر درگیری در رانندگی عادی نامحسوس شده است، و اکنون کالیبراسیون بیش از سخت‌افزار اهمیت دارد: Golf 4Motion و Audi A3 Quattro از گیربکس‌هایی با ساختار مکانیکی یکسان استفاده می‌کنند، اما نرم‌افزار متفاوت به Volkswagen یک تقسیم متقارن می‌بخشد در حالی که آئودی 60٪ گشتاور را به جلو می‌فرستد تا خصوصیت آشناتر خودروی جلومحرک را ایجاد کند.

فناوری چهار چرخ محرک امروز: کدام سیستم بهترین است؟

سیستم‌های پاره‌وقت با محور دومِ دستی‌درگیرشونده خوشبختانه از خودروهای سواری رخت بربسته‌اند. آنچه باقی مانده به سه خانواده تقسیم می‌شود که هر یک مزیت‌های خود را دارند:

• چهار چرخ محرک تمام‌وقت با دیفرانسیل مرکزی خودقفل‌شونده (کوپلینگ ویسکوز مانند Subaru، Torsen مکانیکی مانند Audi A4/A6/A8 Quattro و Volkswagen Phaeton، یا کلاچ‌های با کنترل الکترونیکی مانند Mitsubishi Lancer Evo): پیچیده‌ترین و لذت‌بخش‌ترین سیستم‌ها، که در صورت کالیبراسیون درست می‌توانند فرمان‌پذیری را هم در جاده و هم در پیست واقعاً بهبود بخشند.
• چهار چرخ محرک تمام‌وقت با دیفرانسیل مرکزی باز (مانند Mercedes-Benz 4Matic): برای جبران نبود قفل خودکار به الکترونیک ضدلغزش تکیه می‌کند. روی جاده مؤثر است، اما از نظر مکانیکی کمتر پیش‌دستانه عمل می‌کند.
• محرک عقبِ پاره‌وقت از طریق یک کلاچ کنترل‌شده (Haldex، مانند آنچه در Volvo، Saab و کراس‌اوورهای گوناگون گروه Volkswagen به کار رفته): رایج‌ترین آرایش در کراس‌اوورهای مدرن — مقرون‌به‌صرفه، سبک و به‌لطف الکترونیک سریع‌تر روزبه‌روز تواناتر.

بردارسازی گشتاور، و آنچه پس از آن می‌آید

روند غالب در چهار چرخ محرک پیشرفته، بردارسازی گشتاور است: نه‌فقط تقسیم گشتاور میان محورها، بلکه تغییر فعال آن میان چرخ‌های چپ و راست یک محور. Mitsubishi Lancer Evolution X پیشرفته‌ترین نمونه است — سیستم S-AWC آن یک دیفرانسیل مرکزی با کنترل الکترونیکی (ACD) را با یک دیفرانسیل عقبِ کنترل فعال چرخش حول محور عمودی (AYC) جفت می‌کند که می‌تواند گشتاور را از یک چرخ عقب به چرخ دیگر منتقل کند. مجموعه‌های چرخ‌دنده‌ی اضافی، تعادل را پیش‌دستانه و پیش از آنکه چسبندگی از دست برود جابه‌جا می‌کنند، به‌جای آنکه پس از هرزگردی چرخ واکنش نشان دهند.

در عمل، با بهبود الکترونیک کنترل، تفاوت‌های دنیای واقعی میان سیستم‌های مدرن پیوسته کمتر می‌شود. یک کراس‌اوور Haldex با کالیبراسیون خوب اکنون پایداری‌ای ارائه می‌دهد که یک نسل پیش، Torsen مکانیکی به‌خاطر آن ستوده می‌شد. این مسیر حرکت است — و نقطه‌ی پایان چه‌بسا همان خودروی برقی با چهار موتور مجزا برای هر چرخ باشد، که هر یک بدون هیچ مجموعه‌ی انتقال قدرت مکانیکی، گشتاور خود را تنظیم می‌کند. و همین داستان را به‌زیبایی به خودروی برقی چهار چرخ محرک Ferdinand Porsche در سال 1900 بازمی‌گرداند.

این یک ترجمه است. می‌توانید متن اصلی را اینجا بخوانید: https://www.drive.ru/technic/4efb336400f11713001e4f54.html