چهارچرخ‌محرک توضیح داده شده: تاریخچه، فناوری و نحوه عملکرد سیستم‌های AWD

این مقاله در ابتدا قرار بود یک راهنمای فنی ساده باشد — چیزی شبیه به «هر آنچه همیشه می‌خواستید درباره چهارچرخ‌محرک بدانید، اما نمی‌دانستید از چه کسی بپرسید.» برنامه داشتیم توضیح دهیم که دیفرانسیل‌های باز چه تفاوتی با واحدهای ویسکوکوپلر یا هالدکس دارند، دیفرانسیل‌های خودقفل‌شونده واقعاً چه کاری انجام می‌دهند، و اصلاً چرا همه اینها اهمیت دارند. اما هرچه بیشتر در تاریخچه کاوش کردیم، بیشتر شگفت‌زده شدیم. معلوم شد که اولین خودروی سواری با چهارچرخ‌محرک دائمی بیش از صد سال پیش در هلند ساخته شده است. و در سال ۱۹۳۵، یک خودروی مسابقه‌ای امریکایی چهارچرخ‌محرک به شکل شگفت‌انگیزی نزدیک بود که مسیر تاریخ جهان را تغییر دهد.

چرا یک خودروی سواری به چهارچرخ‌محرک نیاز دارد؟ در قرن بیست‌ویکم، پاسخ واضح به نظر می‌رسد: چسبندگی بهتر، لغزش کمتر چرخ‌ها روی سطوح لیز، و پایداری بهتر در هنگام شتاب‌گیری. چهار چرخ محرک ساده‌تر از دو چرخ بهترند. اما انسانیت زمان شگفت‌انگیزی طولانی برد تا بر اساس این حقیقت بدیهی عمل کند. از هر مورخ خودرویی بپرسید و خواهند گفت عصر چهارچرخ‌محرک برای خودروهای سواری انبوه در سال ۱۹۸۰ با آئودی کواترو آغاز شد. شاید به پیشگامان نادر هم اشاره کنند — سوپرکار بریتانیایی جنسن FF سال ۱۹۶۶ و سوبارو لئون ۴WD سال ۱۹۷۲. اما یک متخصص واقعی به سرعت یادآوری می‌کند که سوباروهای اولیه چهارچرخ‌محرک اصلاً سیستم AWD دائمی نداشتند — آن‌ها پاره‌وقت بودند. و همان‌طور که توضیح خواهیم داد، این تفاوت بسیار مهمی است.

چهارچرخ‌محرک پاره‌وقت: یک راه‌حل موقت

محرک پاره‌وقت روی یک محور یک راه‌حل مصالحه‌ای است، و برای خودروهای جاده‌ای چندان زیبا نیست. اصطلاح «چهارچرخ‌محرک پاره‌وقت» از دنیای شاسی‌بلندها و وانت‌های آفرود آمده است. در این پیکربندی، یک محور به‌طور دائم محرک است در حالی که محور دیگر به صورت صلب و در صورت نیاز وصل می‌شود — اما این اتصال صلب فقط در خارج از جاده قابل استفاده است. روی آسفالت، سیستم پاره‌وقت باید کاملاً قطع شود. دلیلش این است:

• وقتی خودرو می‌پیچد، چرخ‌های جلو قوس طولانی‌تری نسبت به چرخ‌های عقب طی می‌کنند و بنابراین باید سریع‌تر بچرخند.
• در یک سیستم چهارچرخ‌محرک با اتصال صلب، چسبندگی چرخ‌های جلو کاهش می‌یابد در حالی که گشتاور در عقب افزایش می‌یابد.
• در برخی موارد، چرخ‌های جلو می‌توانند به جای نیروی محرکه، نیروی ترمز ایجاد کنند — مقاومت را افزایش داده و فرمان‌پذیری خودرو را سخت‌تر می‌کنند.
• روی سطوح شل مثل گل‌ولای یا برف این اثر قابل کنترل است، اما روی آسفالت باعث گیرکردن شدید سیستم انتقال قدرت و مشکلات پایداری می‌شود.

وقتی خودرو در پیچ حرکت می‌کند، هر چرخ قوس مخصوص به خود را طی می‌کند و باید با سرعت متفاوتی بچرخد. به همین دلیل است که یک سیستم چهارچرخ‌محرک دائمی به سه دیفرانسیل نیاز دارد: دو دیفرانسیل بین‌چرخی (یکی برای هر محور) و یک دیفرانسیل بین‌محوری تا هر دو محور محرک بتوانند مستقل از یکدیگر بچرخند.

با وجود این معایب، چهارچرخ‌محرک با اتصال صلب روی برخی وسایل نقلیه جاده‌ای نیز به کار رفت — هرچند این خودروها بیشتر شبیه وانت‌های آفرود بودند تا خودروهای سواری. در اتحاد جماهیر شوروی، برای مثال، گاز-۶۱ «امکا» — یک سدان چهارچرخ‌محرک با موتور شش‌سیلندر و محور جلوی پاره‌وقت — از سال ۱۹۳۸ به تولید محدود رسید. پس از جنگ، سیستم‌های انتقال قدرت مشابه در گاز-M72 «پوبدا» نسخه آفرود و موسکویچ-۴۱۰ ظاهر شدند. سوبارو لئون ۴WD سال ۱۹۷۲ هم از همان منطق پیروی کرد: برای استفاده آفرود ساخته شده بود، با ارتفاع بیشتر از سوباروهای معمولی پیشرانه جلو، و محور عقب با درگیری دستی.

سوبارو لئون ۴WD استیشن‌واگن (۱۹۷۲–۱۹۷۹) یک تطبیق چهارچرخ‌محرک از پلتفرم پیشرانه‌جلو بود، با محور عقب با اتصال دستی. مشخصات کلیدی عبارت بودند از:

• گزینه‌های موتور: ۱.۴ لیتری (۷۲ اسب‌بخار) یا ۱.۶ لیتری (۸۰ اسب‌بخار)
• انواع بدنه: استیشن‌واگن، سدان و وانت
• درگیری چرخ‌های عقب: دستی در خودروهای با گیربکس دستی؛ اتوماتیک از طریق کلاچ اصطکاکی چند‌دیسکی در خودروهای اتوماتیک
• این آرایش پاره‌وقت تا سال ۱۹۸۹ در تمام سوباروهای چهارچرخ‌محرک ادامه یافت

مشکل اصلی چهارچرخ‌محرک پاره‌وقت این است که روی جاده‌های آسفالته که بیشتر خودروها بیشترین وقتشان را آنجا می‌گذرانند بی‌فایده است — با این حال خودرو همیشه باید وزن اضافی جعبه‌انتقال، یک محور گردان ثانویه و مجموعه محور دوم را با خود حمل کند. اما تبدیل یک سیستم پاره‌وقت به تمام‌وقت فقط به یک قطعه اضافی نیاز دارد: یک دیفرانسیل بین‌محوری در جعبه‌انتقال.

چهارچرخ‌محرک تمام‌وقت: نحوه عملکرد و چرایی اهمیت آن

دیفرانسیل بین‌محوری کلید چهارچرخ‌محرک دائمی است. دو دیفرانسیل بین‌چرخی — یکی در هر محور — به چرخ‌های چپ و راست هر محور اجازه می‌دهند در پیچ‌ها با سرعت‌های مختلف بچرخند. دیفرانسیل بین‌محوری همین کار را بین محورهای جلو و عقب انجام می‌دهد. خودرویی که هر سه دیفرانسیل را داشته باشد می‌تواند روی هر سطح جاده‌ای با چهارچرخ‌محرک دائمی حرکت کند، بدون گیرکردن سیستم انتقال قدرت یا افت پایداری.

در تئوری ساده به نظر می‌رسد — اما تا اوایل دهه ۱۹۸۰، جریان اصلی صنعت خودرو AWD تمام‌وقت را برای خودروهای سواری غیرضروری می‌دانست. باور رایج این بود که چرخاندن مداوم یک جفت چرخ اضافه و تمام اجزای سیستم انتقال قدرت مربوطه روی آسفالت خشک، سر و صدا اضافه می‌کند و سوخت را هدر می‌دهد. آئودی کواترو این تفکر را برای همیشه تغییر داد. با توزیع گشتاور موتور بین هر چهار چرخ در تمام اوقات، یک سیستم AWD تمام‌وقت:

• حاشیه چسبندگی بیشتری برای مقابله با نیروهای جانبی در پیچ‌ها باقی می‌گذارد
• پایداری را در هنگام شتاب‌گیری یا ترمزگیری در وسط پیچ به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد
• خطر چرخش بیش از حد (اوورستیر) یا کم‌گردانی (اندرستیر) ناگهانی ناشی از ورودی گاز را کاهش می‌دهد

آئودی ۸۰ کواترو اواخر دهه ۱۹۸۰ نشان می‌دهد این معماری تا چه اندازه پیشرفته شد. معماری کواترو نسبت به سیستم رقیب فرگوسن فرمولا فشرده‌تر است. از سال ۱۹۸۴، آئودی دیفرانسیل خودقفل‌شونده تورسن را برگزید — یک دستگاه کاملاً مکانیکی که نه به تفاوت سرعت چرخ‌ها، بلکه به تغییرات گشتاور روی هر شفت خروجی واکنش نشان می‌دهد. برخلاف یک قفل دیفرانسیل مبتنی بر ویسکوکوپلر، تورسن فقط در هنگام کشش قفل می‌شود نه ترمز، که به این معناست که کاملاً با سیستم‌های ABS سازگار است و پایداری را در هنگام کاهش سرعت بهبود می‌بخشد.

شایان ذکر است که رنج‌روور (۱۹۷۰) و لادا نیوا روسی (۱۹۷۶) عموماً اولین وسایل نقلیه تولید انبوه با دیفرانسیل بین‌محوری محسوب می‌شوند — اما هر دو قطعاً در دسته آفرود جای می‌گیرند. آئودی کواترو عنوان پیشگام را به‌طور اختصاصی در میان خودروهای سواری دارد.

خودروهای مسابقه‌ای اولیه چهارچرخ‌محرک: از اسپایکر تا بوگاتی

آیا طراحان خودروهای مسابقه‌ای پیش از عصر کواترو، چهارچرخ‌محرک تمام‌وقت را بررسی کردند؟ پاسخ قطعاً بله است — و این داستان بسیار بیشتر از آنچه اکثر مردم انتظار دارند به عقب برمی‌گردد.

اولین پروژه پس از جنگ فردیناند پورشه یک خودروی مسابقه‌ای چهارچرخ‌محرک بود: چیسیتالیا ۳۶۰، با چیدمان موتور میانی و موتور دوازده‌سیلندر ۱.۵ لیتری. با این حال، پیشرانه جلوی آن پاره‌وقت بود — راننده آن را فقط در مستقیم‌های پیست درگیر می‌کرد و قبل از پیچ‌ها به پیشرانه عقب بازمی‌گشت.

اما پورشه در واقع خیلی زودتر یک وسیله نقلیه چهارچرخ‌محرک ساخته بود: یک خودروی الکتریکی با چهار موتور چرخی مجزا، که به سال ۱۹۰۰ برمی‌گردد. اما شوک واقعی برای مورخان خودرو، خودروی مسابقه‌ای ۱۹۰۲ ساخته‌شده توسط سازنده هلندی اسپایکر است. در زمانی که حتی ترمزها فقط روی چرخ‌های عقب نصب می‌شدند، این خودرو چهارچرخ‌محرک تمام‌وقت واقعی داشت — کامل با دیفرانسیل بین‌محوری.

شرکت اسپایکر در سال ۱۸۸۰ توسط برادران اسپایکر به عنوان سازنده کالسکه‌های اسبی تأسیس شد. اولین خودروی آن‌ها در سال ۱۹۰۰ ظاهر شد، و دو سال بعد، با همکاری طراح بلژیکی ژوزف والنتین لاویولت، خودروی مسابقه‌ای چهارچرخ‌محرک اسپایکر ۶۰ اسب‌بخار (۱۹۰۲–۱۹۰۷) را تولید کردند. مشخصات آن برای آن دوره بسیار پیشرفته بود:

• سه دیفرانسیل — بین‌محوری و هر دو بین‌چرخی
• سه مکانیزم ترمز مجزا — دو تا روی چرخ‌های عقب، یکی روی محور گردان جلو
• یک سیستم چهارچرخ‌محرک که مفهوم آن دهه‌ها بی‌رقیب ماند

بنابراین مفهوم چهارچرخ‌محرک تمام‌وقت بیش از یک قرن قدمت دارد. تعداد زیادی اسپایکر چهارچرخ‌محرک ساخته نشد — آن‌ها بسیار گران بودند و هرگز به موفقیت مسابقه‌ای قابل توجهی دست نیافتند. دو پروژه AWD جاه‌طلبانه دیگر در اوایل دهه ۱۹۳۰ دنبال شدند: بوگاتی تیپو ۵۳ و میلر FWD.

پروژه بوگاتی تیپو ۵۳ با مهندس فیات، آنتونیو پیکتو، آغاز شد که ایده را در سال ۱۹۳۰ به اتوره بوگاتی پیشنهاد داد. سه خودرو در سال ۱۹۳۲ تکمیل شدند که هرکدام دارای این مشخصات بودند:

• موتور هشت‌سیلندر ردیفی توربوشارژ ۳۰۰ اسب‌بخار
• چهارچرخ‌محرک تمام‌وقت با سه دیفرانسیل
• جعبه‌انتقال و دیفرانسیل بین‌محوری ادغام‌شده با گیربکس جداگانه
• محورهای گردان هر دو اکسل در سمت چپ خودرو
• تعلیق جلوی مستقل روی فنر عرضی — غیرمعمول برای بوگاتی

با وجود سریع‌تر بودن از خودروهای هم‌دوره‌اش با پیشرانه عقب در پیچ‌های شنی، تیپو ۵۳ از سنگینی فرمان‌گیری رنج می‌برد، چرا که به جای مفاصل سرعت ثابت (CV)، از مفاصل کاردان معمولی در محورهای گردان جلو استفاده می‌کرد. سه خودرو تا سال ۱۹۳۵ در مسابقات شرکت کردند.

میلر FWD تا حدی به این دلیل شکل گرفت که طراح آمریکایی هری میلر یک بوگاتی پیشرانه‌جلو را که مخصوصاً برای جداسازی خریداری شده بود مطالعه کرده بود. با الهام از رویکرد بوگاتی، میلر شاسی چهارچرخ‌محرک خود را با حمایت مالی شرکت کامیون‌های FWD توسعه داد. یکی از میلرهای چهارچرخ‌محرک در ایندیاناپولیس ۵۰۰ سال ۱۹۳۴ پیشتاز بود، پیش از اینکه با مشکل مکانیکی در جایگاه نهم از مسابقه خارج شود.

این خودروها همچنین با یکی از عجیب‌ترین لحظه‌های «اگر» در تاریخ خودرو پیوند خورده‌اند. در طول مسابقه‌ای در پیست آووس در برلین در سال ۱۹۳۵، یک میلر چهارچرخ‌محرک در جایگاه سوم بود که موتور هشت‌سیلندر ردیفی آن به‌طور فاجعه‌باری از کار افتاد و قطعاتی به سمت تماشاگران پرواز کرد. آدولف هیتلر در آن روز در تریبون حضور داشت. اگر حتی یک تکه کوچک به او می‌رسید، مسیر جنگ جهانی دوم — و تاریخ جهان — ممکن بود کاملاً متفاوت باشد.

فرمولا فرگوسن: سیستم AWD که همه چیز را تغییر داد

برای درک فصل بعدی حیاتی تاریخ چهارچرخ‌محرک، مفید است که یک محدودیت اساسی دیفرانسیل‌های بین‌محوری باز را مرور کنیم. یک دیفرانسیل باز اجازه می‌دهد یک محور آزادانه بچرخد در حالی که محور دیگر گشتاوری دریافت نمی‌کند. اگر چرخ‌های عقب کاملاً چسبندگی خود را از دست بدهند، چرخ‌های جلو می‌توانند ثابت بمانند در حالی که عقبی‌ها می‌چرخند — دیفرانسیل هیچ کاری برای جلوگیری از این امر نمی‌کند.

راه‌حلی که برای شاسی‌بلندها توسعه یافت، قفل مثبت بود: راننده به‌صورت دستی مکانیزمی را درگیر می‌کرد که چرخ‌دنده‌های دیفرانسیل را به‌طور صلب قفل می‌کرد و محرک دیفرانسیلی را به یک اتصال جامد تبدیل می‌کرد. این رویکرد در رنج‌روورهای اولیه، لادا نیوا، و بسیاری از وسایل نقلیه آفرود دیگر استفاده شد — از جمله آئودی کواترو نسل اول، که تا سال ۱۹۸۴ راننده را ملزم می‌کرد دیفرانسیل مرکزی را به‌صورت دستی قفل کند. اما قفل دستی مصالحه دیگری است: باید روی سطوح سخت قطع شود، و در صورت شروع لغزش ناگهانی روی جاده لیز هیچ محافظتی ارائه نمی‌دهد.

اولین دیفرانسیل بین‌محوری خودقفل‌شونده اتوماتیک ساخته تونی رولت، راننده و مهندس مسابقه‌ای بریتانیایی بود. رولت همراه با دوست و هم‌مسابقه‌اش فرد دیکسون، پیش از جنگ کارگاه رولت/دیکسون دولوپمنتز را اداره می‌کردند. پس از جنگ، هر دو شیفته پتانسیل چهارچرخ‌محرک دائمی شدند. پس از ساخت یک نمونه آزمایشی چهارچرخ‌محرک به نام «کراب»، در سال ۱۹۵۰ با هری فرگوسن — سازنده موفق تراکتور — متحد شدند تا هری فرگوسن ریسرچ را تأسیس کنند.

چشم‌انداز فرگوسن نه یک خودروی مسابقه‌ای، بلکه یک خودروی جاده‌ای واقعاً ایمن بود: خودرویی که نه چرخ‌هایش در هنگام شتاب‌گیری می‌لغزند و نه در هنگام ترمزگیری قفل می‌شوند. رولت و دیکسون تصمیم گرفتند چنین خودرویی را کاملاً از صفر طراحی کنند — بدنه، سیستم انتقال قدرت و نیروگاه را شامل می‌شد. با استخدام طراح باتجربه کلود هیل (سابقاً از استون‌مارتین) به عنوان مهندس ارشد، سدان آزمایشی فرگوسن R4 پس از شش سال توسعه تکمیل شد. مشخصات آن برای سال ۱۹۵۶ قابل توجه بود:

• چهارچرخ‌محرک دائمی با دیفرانسیل بین‌محوری خودقفل‌شونده
• موتور چهارسیلندر فلت (بوکسر)
• دیسک‌بریک روی هر چهار چرخ
• سیستم ترمز ضدقفل الکترومکانیکی دانلوپ مکسارت، اقتباس‌شده از هوانوردی

قلب سیستم انتقال قدرت فرمولا فرگوسن یک مکانیزم خودقفل‌شونده هوشمند درون جعبه‌انتقال بود. علاوه بر دیفرانسیل، این واحد شامل یک ست چرخ‌دنده اضافه، دو کلاچ تک‌جهته گلوله‌ای، و دو بسته دیسک اصطکاکی بود. در شرایط عادی، این اجزا بی‌صدا در حال چرخش بودند. اما وقتی چرخ‌های یک محور شروع به لغزش می‌کردند — که باعث تفاوت سرعت در شفت‌های خروجی می‌شد — یکی از کلاچ‌ها درگیر می‌شد، بسته اصطکاکی خود را به چرخ‌دنده‌های دیفرانسیل می‌فشرد و فوراً محرک دیفرانسیلی را به یک اتصال جامد تبدیل می‌کرد.

نمونه دوم، فرگوسن R5 استیشن‌واگن ۱۹۶۲، حتی توانمندتر بود. آزمایش‌کنندگان مجله اتوکار اشاره کردند که این خودرو در سرعت‌هایی که تقریباً غیرممکن به نظر می‌رسید به مرز چسبندگی می‌رسید. با وجود این، هیچ سازنده‌ای حاضر به تولید فرگوسن نشد — پیچیدگی و هزینه خیلی زیاد بود. اما در سال ۱۹۶۲ تونی رولت مدیریت جنسن کارز را متقاعد کرد که سیستم انتقال قدرت فرمولا فرگوسن را برای کوپه CV8 آینده‌شان که از موتور ۳۰۰ اسب‌بخار کرایسلر V8 استفاده می‌کرد تطبیق دهد. سه سال بعد، یک جنسن CV8 FF چهارچرخ‌محرک آزمایشی تکمیل شد.

در سال ۱۹۶۶، جنسن اینترسپتور جایگزین CV8 شد — و در کنار کوپه استاندارد با پیشرانه عقب، جنسن یک نسخه چهارچرخ‌محرک با نشان «FF» کم‌تزئین ارائه کرد. جنسن FF اولین خودروی تولیدی جهان شد که دیفرانسیل بین‌محوری خودقفل‌شونده را با ABS ترکیب کرد. «FF» مخفف «فرمولا فرگوسن» بود. مشخصات کلیدی عبارت بودند از:

• موتور بیگ‌بلاک V8 کرایسلر ۶.۳ لیتری با ۳۲۵ اسب‌بخار
• گیربکس اتوماتیک سه‌دنده تورک‌فلایت یا دستی چهار‌دنده
• توزیع نامتقارن گشتاور: ۶۳ درصد به محور عقب، ۳۷ درصد به جلو — برای حفظ رفتار رانندگی شبیه خودروهای پیشرانه‌عقب
• ABS تک‌کاناله دانلوپ مکسارت
• فرمان برقی شانه‌و‌پینیون و دیسک‌بریک در هر چهار چرخ
• حداکثر سرعت ۲۱۲ کیلومتر بر ساعت؛ صفر تا ۱۰۰ کیلومتر بر ساعت در ۷.۷ ثانیه؛ وزن خالی حدود ۱۸۰۰ کیلوگرم
• قیمت در بریتانیا در سال ۱۹۶۸: حدود ۶٬۰۰۰ پوند — تقریباً برابر ارزان‌ترین رولزرویس
• کل تولید: ۳۱۸ دستگاه (۱۹۶۶–۱۹۷۱)

تمام روزنامه‌نگاران خودرویی آن دوره پایداری استثنایی جنسن FF و آنچه آن را «حاشیه چسبندگی تقریباً نامحدود روی آسفالت خیس» توصیف می‌کردند ستایش کردند. متأسفانه، هری فرگوسن خود هرگز جنسن FF را ندید — او در سال ۱۹۶۰ درگذشت.

چرا این همه وقت برای فرمولا فرگوسن صرف می‌کنیم؟ چون هری فرگوسن ریسرچ اولین سازمان در جهان بود که چهارچرخ‌محرک را اساساً به عنوان ابزاری برای ایمنی فعال در نظر گرفت — نه صرفاً به عنوان راه‌حلی برای مشکلات کشش آفرود. توزیع نامتقارن گشتاور یک انتخاب آگاهانه برای پرهیز از غیرقابل‌پیش‌بینی بودنی بود که سیستم‌های AWD متقارن را دچار آن می‌کند. در یک خودروی پیشرانه‌عقب، دادن گاز بیش از حد در یک پیچ لیز باعث اوورستیر قابل پیش‌بینی می‌شود. در یک خودروی پیشرانه‌جلو، باعث اندرستیر قابل پیش‌بینی می‌شود. در یک خودروی AWD متقارن، واکنش بستگی دارد به اینکه کدام محور کمترین چسبندگی را دارد — که می‌تواند مبهم و خطرناک باشد. با انتقال اولویت گشتاور به عقب، فرمولا فرگوسن به جنسن FF رفتار رانندگی نزدیک به پیشرانه‌عقب در اکثر شرایط را می‌داد.

اختراع ویسکوکوپلر

مکانیزم خودقفل‌شونده فرمولا فرگوسن یک محدودیت مهم داشت: کلاچ‌های تک‌جهته‌اش به شکل دوحالته (روشن-خاموش) عمل می‌کردند. گذار از دیفرانسیل باز به قفل کامل آنی بود، که می‌توانست در لحظه درگیری ابهام پایداری خاص خود را ایجاد کند. آنچه نیاز بود مکانیزمی بود که بتواند درجه قفل دیفرانسیل را به شکل نرم و تدریجی تغییر دهد.

در اواخر دهه ۱۹۶۰، تونی رولت و درک گاردنر — که بعداً طراح ارشد خودروهای فرمول یک تیم تایرل شد — شروع به آزمایش با سیلیکون مایع مورد استفاده در کوپلینگ‌های فن ویسکوز کردند. نتیجه ویسکوکوپلر بود: یک محفظه استوانه‌ای پر از سیلیکون مایع، حاوی بسته‌های متناوب دیسک اصطکاکی متصل به هر شفت خروجی.

نحوه عملکرد آن به این صورت است:

• در شرایط عادی، وقتی همه چرخ‌ها با سرعت‌های مشابه می‌چرخند، بسته‌های دیسک تقریباً نسبت به یکدیگر حرکت نمی‌کنند و کوپلر هیچ تأثیری بر دیفرانسیل ندارد.
• وقتی یک محور شروع به لغزش می‌کند، شفت خروجی آن سریع‌تر می‌چرخد و باعث می‌شود بسته‌های دیسک نسبت به هم بچرخند و سیلیکون مایع را برش دهند.
• برش، دما و فشار داخل کوپلر را افزایش می‌دهد و به‌شدت ویسکوزیته مایع را بالا می‌برد.
• این افزایش ویسکوزیته باعث می‌شود دیسک‌ها به یکدیگر کشیده شوند، به‌تدریج شفت سریع‌تر را ترمز کنند و دیفرانسیل را به‌طور جزئی یا کامل قفل کنند.

پس از ثبت پتنت ویسکوکوپلر، تونی رولت در سال ۱۹۷۱ شرکت FF دولوپمنتز (FFD) را برای عرضه تجاری سیستم‌های انتقال قدرت چهارچرخ‌محرک تأسیس کرد. پروژه‌های اولیه شامل ون‌های بدفورد چهارچرخ‌محرک برای خدمات جنگل‌داری بریتانیا، دسته‌ای از خودروهای پلیس فورد زفیر FF، و سدان‌های اوپل سناتور ۴×۴ برای مأموریت نظامی بریتانیا در برلین می‌شد.

مهم‌ترین دستاورد تولیدی FFD، سیستم انتقال قدرت AMC ایگل (۱۹۷۹–۱۹۸۸) بود — نسخه‌ای ارتفاع‌بالاتر و چهارچرخ‌محرک از سدان AMC کنکورد، مجهز به لاستیک‌های بزرگ‌تر و ارتفاع بدنه ۷۵ میلیمتری بیشتر. AMC ایگل اولین خودروی تولیدی جهان بود که از دیفرانسیل بین‌محوری قفل‌شده توسط ویسکوکوپلر استفاده کرد. هرچند به جای خودروی اسپرت، به عنوان یک آفرود ملایم طراحی شده بود، اما معماری سیستم انتقال قدرتش جد مستقیم برخی از مشهورترین خودروهای اسپرت AWD تاریخ شد — از جمله نسل‌های اولیه سوبارو ایمپرزا WRX و میتسوبیشی لنسر اوولوشن.

دیفرانسیل‌های خودقفل‌شونده: از تورسن تا کنترل الکترونیکی

وقتی آئودی کواترو در سال ۱۹۸۱ — دو سال پس از رونمایی AMC ایگل — وارد تولید شد، از یک دیفرانسیل بین‌محوری باز معمولی با قفل مثبت دستی استفاده می‌کرد. ظرافت راه‌حل آئودی در بسته‌بندی بود: موتور طولی نصب‌شده مستقیماً به سمت محور عقب نشانه می‌رفت، و یک دیفرانسیل بین‌محوری مستقیماً در گیربکس ادغام شده بود. شفت ثانویه گیربکس تو‌خالی ساخته شده بود، و محور گردان جلو از درون آن عبور می‌کرد. تیم فردیناند پیه‌چ تقسیم متقارن ۵۰:۵۰ گشتاور بین جلو و عقب را انتخاب کرد.

در سال ۱۹۸۴، اهرم‌های قفل دستی دیفرانسیل از داخل خودروهای آئودی ناپدید شدند و جای خود را به دیفرانسیل خودقفل‌شونده تورسن (TORque SENsing) دادند. تورسن چند مزیت کلیدی دارد:

• کاملاً مکانیکی است — نیازی به الکترونیک، مایع یا ورودی راننده ندارد
• به تغییرات گشتاور روی شفت‌های خروجی واکنش نشان می‌دهد نه به تفاوت سرعت‌ها، یعنی می‌تواند پیش از شروع واقعی لغزش چرخ واکنش نشان دهد
• برخلاف ویسکوکوپلر، فقط در هنگام کشش قفل می‌شود نه ترمزگیری، که آن را کاملاً با ABS سازگار می‌کند
• قفل و باز شدن نرم و پیوسته است، بدون گذارهای دوحالته

توانایی اثبات‌شده تورسن در ارائه بهبودهای پایداری و رانندگی در خودروهای اسپرت، بعداً مهندسان شاسی‌بلند را که به دنبال دینامیک‌های شبیه خودروی سواری بودند جذب کرد. امروزه در سیستم انتقال قدرت خودروهایی مانند رنج‌روور، فولکس‌واگن توآرگ، پورشه کاین و تویوتا لندکروزر پرادو استفاده می‌شود.

در دهه ۱۹۸۰، تسلط آئودی کواترو در رالی یک مسابقه تسلیحاتی AWD را در میان رقبای گروه B آغاز کرد. در چند فصل، خودروهای رالی چهارچرخ‌محرک زیر همه ظاهر شدند — هرکدام از فناوری ویسکوکوپلر FFD در دیفرانسیل‌های خودقفل‌شونده‌شان استفاده می‌کردند:

• پژو ۲۰۵ T16
• آستین مترو 6R4
• لانچیا دلتا S4
• فورد RS200

استوارت رولت، پسر تونی، روابط FFD با تیم‌های رالی را در این دوره مدیریت می‌کرد.

در اوایل دهه ۱۹۹۰، کارخانه آزلک در روسیه نیز برای توسعه نسخه رالی چهارچرخ‌محرک موسکویچ ۲۱۴۱ به FFD روی آورد. با استفاده از همان چیدمان سه‌دیفرانسیلی فورد RS200، موسکویچ چهارچرخ‌محرک آزمایشی به پایداری رانندگی قابل توجهی در شرایط افراطی دست یافت. آزمایش‌ها یک اصل مهم را آشکار کرد: با تنظیم جداگانه سختی قفل هر ویسکوکوپلر، مهندسان می‌توانستند توازن پایداری خودرو را در طیف وسیعی تنظیم کنند:

• دیفرانسیل بین‌چرخی عقب سخت‌تر ← تمایل بیشتر به اوورستیر
• دیفرانسیل بین‌چرخی جلو یا بین‌محوری سخت‌تر ← اندرستیر و پایداری بیشتر

همین قابلیت تنظیم است که چرا خودروهای رالی مدرن WRC از بسته‌های کلاچ چند‌دیسکی کنترل‌شده الکترونیکی به جای ویسکوکوپلرهای غیرفعال در هر سه دیفرانسیل استفاده می‌کنند. محرک‌های هیدرولیک و یک کامپیوتر داخلی می‌توانند قفل‌شدن هر دیفرانسیل را در زمان واقعی تغییر دهند — کلاچ‌ها را هنگام ورود به پیچ آزاد کنند تا خودرو بتواند آزادانه بچرخد، سپس با شتاب‌گیری راننده روی مستقیم به‌تدریج آن‌ها را گیره کنند تا کشش را به حداکثر رساند و از اندرستیر جلوگیری شود.

دو خودروساز در خودروهای جاده‌ای پیشگام دیفرانسیل‌های کنترل‌شده الکترونیکی بودند:

• مرسدس‌بنز 4Matic (1986، کلاس E W124): سه کلاچ کنترل‌شده الکترونیکی به‌صورت متوالی محور جلو را وصل می‌کردند، سپس دیفرانسیل بین‌محوری را قفل می‌کردند، سپس دیفرانسیل عقب را در صورت نیاز. سیستم مؤثر اما بیش از حد پیچیده بود، و الکترونیک می‌توانست باعث شود چرخ‌های جلو روی سطوح شل به‌طور محسوسی وصل و قطع شوند.
• پورشه ۹۵۹ (۱۹۸۶): دو کلاچ کنترل‌شده الکترونیکی که در چهار حالت انتخابی توسط راننده کار می‌کردند. سیستم ۹۵۹ پیشرفته‌تر و مناسب‌تر برای استفاده اسپرت بود.

جایگزینی دیفرانسیل: هالدکس و سیستم‌های AWD ساده‌شده

در حالی که مهندسان رالی دیفرانسیل‌های خودقفل‌شونده را به حد اکثر می‌رساندند، طراحان خودروهای سواری انبوه در جهت مخالف حرکت کردند — با حذف کامل دیفرانسیل بین‌محوری و جایگزینی آن تنها با یک ویسکوکوپلر. فولکس‌واگن گلف II سینکرو ۱۹۸۵ اولین خودروی سواری اروپایی بود که از این رویکرد استفاده کرد. این سیستم انتقال قدرت توسط مهندسان GKN توسعه یافت که FFD را در سال ۱۹۶۹ خریداری کرده بود.

چیدمان ساده‌شده ویسکوکوپلر مزایای روشنی برای تولید انبوه داشت:

• مدل چهارچرخ‌محرک بیشتر قطعاتش را با نسخه استاندارد پیشرانه‌جلو مشترک بود و هزینه و پیچیدگی تولید را کاهش می‌داد
• در شرایط عادی، خودرو دقیقاً مانند یک خودروی پیشرانه‌جلو رانده می‌شد
• وقتی چرخ‌های جلو می‌لغزیدند، ویسکوکوپلر می‌توانست تا ۷۰ درصد گشتاور را در حدود ۰.۲ ثانیه به عقب منتقل کند

اما این تأخیر در درگیری یک آسیب‌پذیری پایداری ایجاد می‌کرد: خودرویی که ابتدا مانند یک پیشرانه‌جلو رفتار می‌کرد (در جلو پهن می‌شد) می‌توانست ناگهان به رفتار عقب‌محور تغییر کند وقتی ویسکوکوپلر درگیر می‌شد و رانندگان را غافلگیر کند. سازندگان ژاپنی راه‌حل‌های مختلفی را بررسی کردند، از جمله نصب چندین ویسکوکوپلر — برخی مدل‌ها، مانند نیسان سانی/پولسار ۱۹۸۸، از سه تا استفاده کردند: یکی برای درگیر کردن پیشرانه عقب و یکی برای قفل هر دیفرانسیل بین‌چرخی. مزدا کنسرتو ۴WD حتی فراتر رفت و از ویسکوکوپلرها به جای هر دو دیفرانسیل بین‌محوری و بین‌چرخی عقب استفاده کرد.

گام تکاملی بعدی، جایگزینی ویسکوکوپلر با یک کلاچ چند‌دیسکی هیدرولیک کنترل‌شده الکترونیکی بود — دستگاهی بسیار سریع‌تر و با قابلیت کنترل دقیق‌تر. کوپلینگ هالدکس، که ویسکوکوپلر را در فولکس‌واگن گلف IV و خواهران هم‌پلتفرمش جایگزین کرد، بهترین نمونه شناخته‌شده این فناوری است. نحوه عملکرد آن:

• بادامک‌های صفحه‌ای هر تفاوت سرعت چرخشی بین شفت‌های جلو و عقب را تشخیص می‌دهند
• غلتک‌هایی که روی سطح بادامک‌ها حرکت می‌کنند پیستون‌هایی را در سیلندرهای حلقه‌ای فشار می‌دهند و سیال هیدرولیکی را پمپ می‌کنند
• فشار سیال بسته کلاچ چند‌دیسکی را فشرده می‌کند و گشتاور را به محور عقب منتقل می‌کند
• یک شیر سولنوئیدی، کنترل‌شده توسط الکترونیک خودرو، می‌تواند فشار را در هر نقطه آزاد کند — که امکان توزیع گشتاور با تنظیم بی‌نهایت را فراهم می‌کند

امروزه اکثر خودروهای AWD سواری و کراس‌اوورها از نوعی از این معماری کلاچ کنترل‌شده الکترونیکی استفاده می‌کنند — چه هالدکس روی خودروهای گروه فولکس‌واگن، چه VTM-4 هوندا، یا xDrive بی‌ام‌و. سرعت سیستم‌های کلاچ مدرن تأخیر درگیری را تا جایی کاهش داده که در رانندگی عادی قابل احساس نیست. تنظیم نرم‌افزار کنترلی اکنون بیشتر از سخت‌افزار اهمیت دارد: گلف 4Motion و آئودی A3 کواترو از سیستم‌های انتقال قدرت مکانیکی یکسان استفاده می‌کنند، اما نرم‌افزارهای متفاوت باعث می‌شود فولکس‌واگن تقسیم متقارن گشتاور داشته باشد در حالی که کالیبراسیون آئودی ۶۰ درصد گشتاور را به جلو می‌فرستد تا مشخصه آشناتر پیشرانه‌جلو را حفظ کند.

فناوری AWD امروز: کدام سیستم بهترین است؟

سیستم‌های چهارچرخ‌محرک پاره‌وقت با محور دوم درگیر دستی خوشبختانه از خودروهای سواری ناپدید شده‌اند. معماری‌های باقی‌مانده هر کدام مزایای خود را دارند:

• AWD تمام‌وقت با دیفرانسیل بین‌محوری خودقفل‌شونده (ویسکوکوپلر مانند سوبارو، تورسن مکانیکی مانند آئودی A4/A6/A8 کواترو و فولکس‌واگن فائتون، یا کلاچ‌های کنترل‌شده الکترونیکی مانند میتسوبیشی لنسر اوو): پیشرفته‌ترین و رضایت‌بخش‌ترین سیستم‌ها، که در صورت کالیبراسیون صحیح قادر به بهبود واقعی رانندگی در جاده و پیست هستند.
• AWD تمام‌وقت با دیفرانسیل بین‌محوری باز (مانند مرسدس‌بنز 4Matic): برای جبران فقدان خودقفل‌شوندگی به الکترونیک ضدلغزش متکی است. روی جاده مؤثر است، اما از نظر مکانیکی کمتر پیش‌فعال است.
• پیشرانه عقب پاره‌وقت از طریق کلاچ کنترل‌شده (هالدکس، مانند ولوو، سائاب، و کراس‌اوورهای مختلف گروه فولکس‌واگن): رایج‌ترین چیدمان در کراس‌اوورهای مدرن — مقرون‌به‌صرفه، سبک، و با لطف الکترونیک سریع‌تر به‌طور فزاینده‌ای توانمند.

روند غالب در AWD پیشرفته، برداشت گشتاور (تورک وکتورینگ) است — نه فقط توزیع گشتاور بین محورهای جلو و عقب، بلکه تغییر فعال آن بین چرخ‌های چپ و راست روی یک محور. میتسوبیشی لنسر اوولوشن X نماینده پیشرفته‌ترین وضعیت است: سیستم S-AWC آن یک دیفرانسیل مرکزی کنترل‌شده الکترونیکی (ACD) را با یک دیفرانسیل عقب کنترل فعال لغزش (AYC) ترکیب می‌کند که قادر است گشتاور را بین چرخ‌های عقب به‌طور مستقل منتقل کند. ست‌های چرخ‌دنده اضافی می‌توانند توازن گشتاور را پیش از از دست دادن چسبندگی به‌صورت پیش‌فعال تغییر دهند، نه اینکه پس از شروع لغزش واکنشی داشته باشند.

در عمل، تفاوت‌های پایداری دنیای واقعی بین سیستم‌های AWD مدرن همچنان با پیشرفت‌تر شدن الکترونیک کنترل کاهش می‌یابد. یک سیستم مبتنی بر هالدکس به‌خوبی کالیبره‌شده در یک کراس‌اوور می‌تواند پایداری ارائه دهد که نسلی پیش از یک دیفرانسیل تورسن مکانیکی شگفت‌انگیز به نظر می‌رسید. این در نهایت مسیری است که فناوری به سمت آن می‌رود — و نقطه پایانی ممکن است خودروی الکتریکی با چهار موتور چرخی مجزا باشد که هر کدام گشتاور دقیقاً کنترل‌شده را بدون هیچ سیستم انتقال قدرت مکانیکی ارائه می‌دهند.

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