הנעה בכל הגלגלים: היסטוריה, טכנולוגיה ואיך מערכות AWD עובדות

מאמר זה התחיל את דרכו כמדריך טכני פשוט — משהו בסגנון “כל מה שתמיד רציתם לדעת על הנעה בכל הגלגלים אבל לא ידעתם את מי לשאול.” התוכנית הייתה להסביר במה שונה דיפרנציאל פתוח ממצמד צמיגותי או מיחידת Haldex, מה בעצם עושה דיפרנציאל בעל נעילה עצמית, ומדוע כל זה חשוב. אבל ככל שהעמקנו בהיסטוריה, כך היא נעשתה מפתיעה יותר. מכונית הנוסעים הראשונה בעלת הנעה קבועה בכל הגלגלים נבנתה בהולנד לפני יותר ממאה שנה. וב-1935, מכונית מרוץ אמריקאית בהנעה בכל ארבעת הגלגלים התקרבה באופן מדהים לשנות את מהלך ההיסטוריה העולמית.

מדוע בכלל מכונית נוסעים זקוקה להנעה בכל הגלגלים? במאה ה-21 התשובה נראית מובנת מאליה: אחיזה טובה יותר, פחות החלקת גלגלים על משטחים חלקים, ויציבות טובה יותר בעת האצה. ארבעה גלגלים מונעים פשוט עדיפים על שניים. ובכל זאת, התעשייה לקחה זמן רב באופן מפתיע כדי לפעול על פי זה. שאלו כל היסטוריון רכב והוא יאמר לכם שעידן ההנעה בכל הגלגלים במכוניות ההמוניות החל ב-1980 עם ה-Audi Quattro, עם כמה מבשרים נדירים — מכונית העל הבריטית Jensen FF משנת 1966 וה-Subaru Leone 4WD משנת 1972. מומחה אמיתי יוסיף שמכוניות ה-Subaru המוקדמות בעלות ההנעה בכל ארבעת הגלגלים כלל לא היו בעלות הנעה קבועה בכל הגלגלים. הן היו בהנעה חלקית. וההבחנה הזו מתבררת כסיפור כולו.

הנעה חלקית 4WD: פתרון ביניים

הנעת סרן אחד רק בחלק מהזמן היא פשרה, ולא אלגנטית במיוחד עבור מכונית כביש. המונח “הנעה חלקית 4WD” מגיע מעולם רכבי השטח והמשאיות. במבנה זה סרן אחד מונע באופן קבוע והשני מחובר בחיבור קשיח לפי דרישה — אך אפשר להשתמש בחיבור הקשיח הזה רק מחוץ לכביש. על אספלט יש לנתק את המערכת לחלוטין.

מדוע חיבור קשיח נכשל על אספלט

• כאשר מכונית פונה, הגלגלים הקדמיים נעים לאורך קשת ארוכה יותר מהגלגלים האחוריים ולכן חייבים להסתובב מהר יותר.
• במערכת הנעה בכל הגלגלים המחוברת בחיבור קשיח, האחיזה בגלגלים הקדמיים פוחתת בעוד המומנט בגלגלים האחוריים גדל.
• במקרים מסוימים הגלגלים הקדמיים יכולים לייצר כוח בלימה במקום כוח הנעה — מוסיפים התנגדות ומקשים על היגוי המכונית.
• על משטחים תחוחים כמו בוץ או שלג ניתן להתמודד עם זה, אך על אספלט זה גורם להינעלות חמורה של מערכת ההנעה ולבעיות אחיזת כביש.

בתוך פנייה כל גלגל עוקב אחר קשת משלו וחייב להסתובב במהירות משלו. לכן הנעה קבועה בכל הגלגלים זקוקה לשלושה דיפרנציאלים: שניים בין הגלגלים של כל סרן, ואחד בין הסרנים עצמם, כך שהחלק הקדמי והאחורי יוכלו להסתובב באופן בלתי תלוי זה בזה.

מכוניות ההנעה החלקית: מה-GAZ-61 ועד ה-Subaru Leone

הנעה בכל הגלגלים המחוברת בחיבור קשיח כן הגיעה לכמה מכוניות כביש למרות כל זאת, אף שבאופיין היו קרובות יותר למשאיות שטח. בברית המועצות ה-GAZ-61 “Emka” — סדאן עם הנעה בכל ארבעת הגלגלים, מנוע שש-צילינדרי וסרן קדמי בהנעה חלקית — נכנס לייצור באצוות קטנות כבר ב-1938. לאחר המלחמה אותו רעיון הופיע ברכב השטח GAZ-M72 “Pobeda” וב-Moskvitch-410. ה-Subaru Leone 4WD משנת 1972 פעל לפי בדיוק אותו היגיון: נבנה לנסיעת שטח, גבוה יותר ממכוניות ה-Subaru בהנעה קדמית, עם סרן אחורי שהנהג חיבר ביד.

ה-Subaru Leone 4WD Station Wagon (1972–1979) הייתה עיבוד בהנעה בכל ארבעת הגלגלים של פלטפורמה בהנעה קדמית, עם סרן אחורי המחובר ידנית. המפרטים העיקריים כללו:

• אפשרויות מנוע: 1.4 ליטר (72 כ״ס) או 1.6 ליטר (80 כ״ס)
• סגנונות מרכב: סטיישן, סדאן וטנדר
• חיבור ההנעה האחורית: ידני במכוניות עם תיבת הילוכים ידנית; אוטומטי באמצעות מצמד חיכוך רב-דיסקי במכוניות אוטומטיות
• הסדר ההנעה החלקית הזה נמשך בכל מכוניות ה-Subaru בעלות ההנעה בכל ארבעת הגלגלים עד 1989

הבעיה המרכזית בהנעה חלקית היא שהיא חסרת תועלת על הכבישים הסלולים שבהם מבלות רוב המכוניות את רוב חייהן — ובכל זאת המכונית נושאת איתה לכל מקום את משקלם של תיבת העברה, גל הנעה שני ומכלול סרן נוסף שלם. הפיכת מערכת הנעה חלקית למערכת קבועה דורשת בדיוק רכיב אחד נוסף: דיפרנציאל בין-סרני בתוך תיבת ההעברה.

הנעה קבועה בכל הגלגלים: איך היא עובדת ומדוע היא חשובה

שלושה דיפרנציאלים, עיקרון אחד

הדיפרנציאל הבין-סרני הוא המפתח להנעה קבועה בכל הגלגלים. שני הדיפרנציאלים הבין-גלגליים מאפשרים לגלגלים השמאלי והימני של כל סרן להסתובב במהירויות שונות בתוך פנייה. הדיפרנציאל הבין-סרני עושה את אותה עבודה בין הסרן הקדמי לאחורי. מכונית עם שלושתם יכולה להפעיל הנעה קבועה בכל הגלגלים על כל משטח בלי לכבול את מערכת ההנעה או לפגום באחיזת הכביש.

פשוט מספיק בתיאוריה — אך עד תחילת שנות ה-80 התעשייה ראתה בהנעה קבועה בכל הגלגלים דבר מיותר במכונית כביש. התפיסה המקובלת הייתה שסיבוב זוג גלגלים שני וכל המחובר אליהם על אספלט יבש רק מוסיף רעש וצריכת דלק.

What the Quattro Proved

ה-Audi Quattro שינתה את החשיבה הזו לתמיד. באמצעות פיזור מומנט המנוע על כל ארבעת הגלגלים כל הזמן, מערכת הנעה קבועה:

• משאירה שולי אחיזה גדולים יותר הזמינים להתמודדות עם כוחות רוחביים בפניות
• משפרת משמעותית את היציבות בעת האצה או בלימה באמצע פנייה
• מפחיתה את הסיכון ליתר-היגוי או תת-היגוי פתאומיים הנגרמים מפעולות דוושת הגז

ה-Audi 80 Quattro של סוף שנות ה-80 מראה עד כמה השתכלל המבנה. ארכיטקטורת Quattro קומפקטית יותר מתיבת ההילוכים המתחרה Ferguson Formula. משנת 1984 התקינה Audi את הדיפרנציאל בעל הנעילה העצמית Torsen — התקן מכני לחלוטין המגיב למומנט על כל גל מוצא ולא להפרש במהירות הגלגלים. בשונה ממצמד צמיגותי, ה-Torsen ננעל רק תחת אחיזה, לעולם לא תחת בלימה, מה שהופך אותו לתואם לחלוטין ל-ABS ויציב יותר בעת האטה.

ראוי לציין שה-Range Rover (1970) וה-Lada Niva הרוסית (1976) נחשבות בדרך כלל לרכבים הראשונים בייצור המוני עם דיפרנציאל בין-סרני — אך שתיהן רכבי שטח מובהקים. הטענה של ה-Audi Quattro היא ספציפית להיות הראשונה בקרב מכוניות הנוסעים.

מכוניות מרוץ מוקדמות בהנעה בכל ארבעת הגלגלים: מ-Spyker ועד Bugatti

האם מעצבי מכוניות מרוץ חקרו הנעה קבועה בכל הגלגלים לפני עידן ה-Quattro? בהחלט כן — והסיפור נמתח הרבה יותר לאחור ממה שרוב האנשים מצפים.

Porsche’s Four-Wheel-Drive Experiments

הפרויקט הראשון של Ferdinand Porsche אחרי המלחמה היה מכונית מרוץ בהנעה בכל ארבעת הגלגלים: ה-Cisitalia 360, עם מנוע מרכזי בנפח 1.5 ליטר ושנים-עשר צילינדרים. אך ההנעה הקדמית שלה הייתה חלקית — הנהג חיבר אותה בישורות ועבר בחזרה להנעה אחורית לפני הפניות.

למעשה Porsche בנה רכב בהנעה בכל ארבעת הגלגלים הרבה לפני כן: מכונית חשמלית עם ארבעה מנועי גלגל נפרדים, משנת 1900.

The Spyker 60 HP, 1902

ההלם האמיתי עבור היסטוריוני הרכב הוא מכונית המרוץ משנת 1902 שבנתה היצרנית ההולנדית Spyker. בתקופה שבה אפילו בלמים הותקנו רק בגלגלים האחוריים, למכונית זו הייתה הנעה קבועה אמיתית בכל הגלגלים, כולל דיפרנציאל בין-סרני.

Spyker נוסדה ב-1880 בידי האחים Spijker כיצרנית של מרכבות רתומות לסוסים. מכוניתם הראשונה הופיעה ב-1900, וכעבור שנתיים, בעבודה עם המעצב הבלגי Joseph Valentin Laviolette, הם ייצרו את מכונית המרוץ Spyker 60 HP בהנעה בכל ארבעת הגלגלים (1902–1907). המפרט שלה היה יוצא דופן לתקופה:

• שלושה דיפרנציאלים — בין-סרני ושני הבין-גלגליים
• שלושה מנגנוני בלימה נפרדים — שניים על הגלגלים האחוריים, אחד על גל ההנעה הקדמי
• מערכת הנעה בכל ארבעת הגלגלים שלא היה לה שווה מבחינת התפיסה במשך עשורים

תפיסת ההנעה הקבועה בכל ארבעת הגלגלים היא, אם כן, בת יותר ממאה שנים בהרבה. לא נבנו הרבה מכוניות Spyker בהנעה בכל ארבעת הגלגלים — הן היו יקרות להפליא ומעולם לא השיגו הרבה בתחרויות. שני פרויקטים שאפתניים נוספים באו בעקבותיהן בתחילת שנות ה-30.

Bugatti Tipo 53 and Miller FWD

ה-Bugatti Tipo 53 החל עם מהנדס Fiat, Antonio Pichetto, שהציג את הרעיון בפני Ettore Bugatti ב-1930. שלוש מכוניות הושלמו ב-1932, כל אחת עם:

• מנוע שמונה-צילינדרי בטור עם מדחס-על בהספק 300 כ״ס
• הנעה קבועה בכל הגלגלים עם שלושה דיפרנציאלים
• תיבת העברה ודיפרנציאל בין-סרני המשולבים בתיבת ההילוכים המורכבת בנפרד
• גלי הנעה לשני הסרנים ממוקמים בצד שמאל של המכונית
• מתלה קדמי עצמאי על קפיץ רוחבי — לא שגרתי עבור Bugatti

ה-Tipo 53 עקפה מכוניות בנות זמנה בהנעה אחורית בפניות חצץ, אך ההיגוי שלה היה כבד בצורה מחרידה: גלי ההנעה הקדמיים השתמשו במפרקי קרדן רגילים במקום במפרקי מהירות קבועה. שלוש המכוניות התחרו עד 1935.

ה-Miller FWD נוצרה בין היתר משום שהמעצב האמריקאי Harry Miller חקר מכונית Bugatti בהנעה קדמית שנקנתה במיוחד כדי לפרק אותה. בהשראת מה שמצא, Miller פיתח שלדה משלו בהנעה בכל ארבעת הגלגלים בחסות חברת המשאיות FWD. אחת ממכוניות ה-Miller בהנעה בכל ארבעת הגלגלים הובילה במרוץ Indianapolis 500 של 1934 לפני שתקלה מכנית הורידה אותה למקום התשיעי.

A Near Miss at AVUS, 1935

מכוניות אלה קשורות גם לאחד מרגעי ה”מה היה קורה אילו” המוזרים ביותר בהיסטוריה של הרכב. במהלך מרוץ במסלול AVUS בברלין ב-1935, מכונית Miller בהנעה בכל ארבעת הגלגלים החזיקה במקום השלישי כאשר המנוע השמונה-צילינדרי בטור שלה קרס באופן קטסטרופלי והשליך רסיסים לעבר היציעים. אדולף היטלר היה ביציעים באותו יום. אילו אפילו רסיס קטן היה פוגע בו, מהלך מלחמת העולם השנייה — וההיסטוריה העולמית — היה עשוי להיות שונה לחלוטין.

ה-Ferguson Formula: מערכת ההנעה בכל הגלגלים ששינתה הכול

הבעיה בדיפרנציאל מרכזי פתוח

כדי לעקוב אחר הפרק הבא כדאי לחזור למגבלה בסיסית של הדיפרנציאל הבין-סרני הפתוח. דיפרנציאל פתוח מאפשר לסרן אחד להסתובב בחופשיות בעוד השני אינו מקבל מומנט כלל. אם הגלגלים האחוריים מאבדים אחיזה לחלוטין, הקדמיים יכולים לעמוד במקום בעוד האחוריים מסתובבים — והדיפרנציאל אינו עושה דבר כדי לעצור זאת.

התשובה של עולם רכבי השטח הייתה נעילה חיובית: הנהג מפעיל מנגנון שנועל בקשיחות את גלגלי השיניים של הדיפרנציאל, והופך את הנעת הדיפרנציאל לחיבור מוצק. דגמי ה-Range Rover המוקדמים השתמשו בזה, וכך גם ה-Lada Niva ועשרות רכבי שטח אחרים — וכך גם ה-Audi Quattro מהדור הראשון, שהצריכה מהנהג לנעול את הדיפרנציאל המרכזי ביד עד 1984. אך נעילה ידנית היא פשרה נוספת. יש לשחרר אותה על משטחים קשים, והיא אינה מציעה דבר אם גלגל מתחיל להסתובב באופן בלתי צפוי על כביש חלק.

Rolt, Dixon ו-Harry Ferguson

הדיפרנציאל הבין-סרני הראשון בעל נעילה עצמית אוטומטית היה פרי עבודתו של נהג המרוץ והמהנדס הבריטי Tony Rolt. יחד עם חברו ועמיתו למרוצים Fred Dixon הוא ניהל את בית המלאכה Rolt/Dixon Developments לפני המלחמה; לאחר מכן השניים נשבו בקסמה של האפשרות מה יכולה הנעה קבועה בכל הגלגלים לעשות. הם בנו מתקן ניסוי בהנעה בכל ארבעת הגלגלים בשם “Crab”, וב-1950 חברו ל-Harry Ferguson — יצרן הטרקטורים המצליח — כדי להקים את Harry Ferguson Research.

Ferguson לא חיפש מכונית מרוץ. הוא רצה מכונית כביש בטוחה באמת: כזו שגלגליה לא יחליקו בעת האצה ולא יינעלו בעת בלימה. Rolt ו-Dixon יצאו לתכנן אותה מאפס — מרכב, תיבת הילוכים ומערכת הנעה כאחד — עם המעצב המנוסה Claude Hill, לשעבר של Aston Martin, כמהנדס ראשי. סדאן הניסוי Ferguson R4 הושלמה לאחר שש שנות עבודה, והמפרט שלה היה יוצא דופן ל-1956:

• הנעה קבועה בכל הגלגלים עם דיפרנציאל בין-סרני בעל נעילה עצמית
• A flat-four engine
• בלמי דיסק בכל ארבעת הגלגלים
• מערכת הבלימה האלקטרו-מכנית למניעת נעילה Dunlop MaxaRet, שהותאמה מתחום התעופה

בתוך תיבת ההעברה של ה-Ferguson Formula

לב תיבת ההילוכים Ferguson Formula היה מנגנון נעילה עצמית גאוני בתוך תיבת ההעברה. מלבד הדיפרנציאל, היחידה הכילה מערך גלגלי שיניים נוסף, שני מצמדים חד-כיווניים כדוריים ושתי חבילות של דיסקי חיכוך. בנסיעה רגילה רכיבים אלה הסתובבו בשקט בסרק. אך ברגע שגלגלי אחד הסרנים החלו להחליק — ויצרו הפרש במהירויות גלי המוצא — אחד המצמדים נכנס לפעולה, לחץ את חבילת החיכוך שלו כנגד גלגלי השיניים של הדיפרנציאל והפך את הנעת הדיפרנציאל לחיבור מוצק בו במקום.

אב-טיפוס שני, ה-Ferguson R5 בגרסת סטיישן משנת 1962, היה טוב עוד יותר. בוחני Autocar ציינו שהיא הגיעה לגבולות האחיזה במהירויות שנראו כמעט בלתי אפשריות. אף על פי כן, אף יצרן לא הסכים להעביר את ה-Ferguson לייצור; המורכבות והעלות היו רבות מדי.

The Jensen FF Goes on Sale

ב-1962 שכנע Tony Rolt את הנהלת Jensen Cars להתאים את תיבת ההילוכים Ferguson Formula לקופה CV8 העתידית שלהם ולמנוע ה-Chrysler V8 שלה בהספק 300 כ״ס. כעבור שלוש שנים נסעה מכונית ניסוי Jensen CV8 FF בהנעה בכל ארבעת הגלגלים.

ב-1966 ה-Jensen Interceptor החליפה את ה-CV8, ולצד הקופה הסטנדרטית בהנעה אחורית הציעה Jensen גרסה בהנעה בכל הגלגלים שנשאה סמל “FF” צנוע — ראשי תיבות של “Formula Ferguson”. ה-Jensen FF הפכה למכונית הייצור הראשונה בעולם ששילבה דיפרנציאל בין-סרני בעל נעילה עצמית עם ABS. המפרטים העיקריים כללו:

• מנוע Chrysler V8 big-block בנפח 6.3 ליטר המפיק 325 כ״ס
• תיבת הילוכים אוטומטית TorqueFlite עם שלושה יחסים או ידנית עם ארבעה יחסים
• חלוקת מומנט אסימטרית: 63% לסרן האחורי, 37% לקדמי — כדי לשמר את אופי אחיזת הכביש של הנעה אחורית
• ABS מסוג Dunlop MaxaRet חד-ערוצי
• היגוי כוח מסוג מוט-שן ובלמי דיסק בכל הגלגלים
• מהירות מרבית של 212 קמ״ש; 0–100 קמ״ש ב-7.7 שניות; משקל עצמי של כ-1,800 ק״ג
• מחיר בבריטניה ב-1968: כ-£6,000 — דומה ל-Rolls-Royce הזולה ביותר
• Total production: 318 cars (1966–1971)

כל עיתונאי רכב מהתקופה שיבח את היציבות של ה-Jensen FF ואת מה שתיארו כ”שולי אחיזה כמעט בלתי מוגבלים על אספלט רטוב”. Harry Ferguson מעולם לא ראה את המכונית: הוא נפטר ב-1960.

מדוע ה-Ferguson Formula הייתה חשובה

מדוע להקדיש כל כך הרבה זמן ל-Ferguson Formula? משום ש-Harry Ferguson Research הייתה הארגון הראשון בכל העולם שהתייחס להנעה בכל הגלגלים בראש ובראשונה ככלי של בטיחות אקטיבית ולא כפתרון לאחיזה בשטח.

חלוקת המומנט האסימטרית הייתה מהלך מכוון נגד חוסר הצפיוּת שרודף מערכות סימטריות. תנו למכונית בהנעה אחורית יותר מדי גז בפנייה חלקה והיא תיכנס ליתר-היגוי, באופן צפוי. עשו את אותו הדבר במכונית בהנעה קדמית והיא תיכנס לתת-היגוי, באופן צפוי. עשו זאת במכונית בהנעה סימטרית בכל הגלגלים והתשובה תלויה באיזה סרן יש במקרה את האחיזה הגרועה יותר — וזה עמום, ומסוכן. באמצעות הטיית המומנט לאחור, ה-Ferguson Formula העניקה ל-Jensen FF משהו קרוב להתנהגות של הנעה אחורית ברוב התנאים.

המצאת המצמד הצמיגותי

למנגנון Ferguson הייתה מגבלה אמיתית אחת: המצמדים החד-כיווניים שלו פעלו באופן בינארי, של הפעלה-כיבוי. הקפיצה מדיפרנציאל פתוח לנעילה מלאה הייתה מיידית, וזה עלול היה ליצור עמימות משלו ברגע ההתחברות. מה שהיה דרוש הוא מנגנון שיכול לשנות את מידת הנעילה בצורה חלקה.

בסוף שנות ה-60 החלו Tony Rolt ו-Derek Gardner — לימים המעצב הראשי של מכוניות הפורמולה 1 של Tyrrell — להתנסות בנוזל הסיליקון המשמש במצמדי מאוורר צמיגותיים. התוצאה הייתה המצמד הצמיגותי: בית גלילי מלא בנוזל סיליקון, המחזיק חבילות מתחלפות של דיסקי חיכוך המחוברות לכל גל מוצא.

How a Visco-Coupler Works

• בתנאים רגילים, כאשר כל הגלגלים מסתובבים במהירויות דומות, חבילות הדיסקים בקושי נעות זו ביחס לזו ולמצמד אין השפעה על הדיפרנציאל.
• כאשר אחד הסרנים מתחיל להחליק, גל המוצא שלו מסתובב מהר יותר, וגורם לחבילות הדיסקים להסתובב זו ביחס לזו ולגזור את נוזל הסיליקון.
• הגזירה מעלה את הטמפרטורה והלחץ בתוך המצמד, ומגבירה באופן דרמטי את צמיגות הנוזל.
• עלייה זו בצמיגות גורמת לדיסקים להתחכך זה בזה, ובולמת בהדרגה את הגל המסתובב מהר יותר ונועלת את הדיפרנציאל באופן חלקי או מלא.

FF Developments וה-AMC Eagle

לאחר שרשם פטנט על המצמד הצמיגותי, הקים Tony Rolt את FF Developments (FFD) ב-1971 כדי למכור מסחרית תיבות הילוכים בהנעה בכל הגלגלים. העבודה המוקדמת הייתה חסרת זוהר: מסחריות Bedford בהנעה בכל ארבעת הגלגלים עבור שירות הייעור הבריטי, אצווה של ניידות משטרה Ford Zephyr FF, וסדאנים Opel Senator 4×4 עבור המשלחת הצבאית הבריטית בברלין.

עבודת הייצור המשמעותית ביותר של FFD הייתה תיבת ההילוכים של ה-AMC Eagle (1979–1988) — גרסה מוגבהת בהנעה בכל הגלגלים של הסדאן AMC Concord, על צמיגים גדולים יותר, עם הגבהת מרכב של 75 מ״מ. ה-Eagle הייתה מכונית הייצור הראשונה בכל מקום שנעלה את הדיפרנציאל הבין-סרני שלה באמצעות מצמד צמיגותי. היא נהגתה כרכב שטח מתון ולא כמכונית ביצועים, ובכל זאת ארכיטקטורת תיבת ההילוכים שלה היא האב הישיר של כמה מהמכוניות המהירות בהנעה בכל הגלגלים המהוללות ביותר שנבנו אי פעם, ביניהן ה-Subaru Impreza WRX המוקדמת וה-Mitsubishi Lancer Evolution.

דיפרנציאלים בעלי נעילה עצמית: מ-Torsen ועד בקרה אלקטרונית

Audi’s Packaging Trick

כאשר ה-Audi Quattro נכנסה לייצור ב-1981 — שנתיים אחרי ה-AMC Eagle — היא השתמשה בדיפרנציאל בין-סרני פתוח קונבנציונלי עם נעילה חיובית ידנית. האלגנטיות של הפתרון של Audi הייתה באריזה. המנוע האורכי כיוון היישר אל הסרן האחורי, והדיפרנציאל הבין-סרני נכנס ישירות לתיבת ההילוכים: הגל המשני נעשה חלול וגל ההנעה הקדמי נותב דרכו. הצוות של Ferdinand Piëch בחר בחלוקה סימטרית של 50:50 בין הקדמי לאחורי.

The Torsen Differential

ב-1984 נעלמו סוף-סוף ידיות הנעילה הידנית מתאי הנהג של Audi, והוחלפו בדיפרנציאל בעל הנעילה העצמית Torsen — TORque SENsing (חישת מומנט). כדאי למנות את יתרונותיו:

• הוא מכני לחלוטין — אין צורך באלקטרוניקה, בנוזל או בהתערבות הנהג
• הוא מגיב לשינויים במומנט על גלי המוצא ולא להפרשי מהירות, כלומר הוא יכול להגיב לפני שהחלקת הגלגלים בכלל מתחילה
• בשונה ממצמד צמיגותי, הוא ננעל רק תחת אחיזה, לא תחת בלימה, מה שהופך אותו לתואם לחלוטין ל-ABS
• הנעילה והשחרור חלקים ורציפים, ללא מעברים בינאריים

לאחר שהוכיח את עצמו במכוניות מהירות, אימצו את ה-Torsen מהנדסי רכבי שטח שרדפו אחר אחיזה כמו של מכונית. הוא בשימוש כיום ב-Range Rover, ב-Volkswagen Touareg, ב-Porsche Cayenne וב-Toyota Land Cruiser Prado.

קבוצה B ומירוץ החימוש של הראלי

עוד בשנות ה-80, השליטה של ה-Quattro בראלי הציתה מירוץ חימוש של הנעה בכל הגלגלים. תוך כמה עונות הופיעו כל מכוניות הראלי הבאות בהנעה בכל ארבעת הגלגלים, שכל אחת מהן השתמשה בטכנולוגיית המצמד הצמיגותי של FFD בדיפרנציאלים בעלי הנעילה העצמית שלה:

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

Stuart Rolt, בנו של Tony, ניהל את הקשרים של FFD עם קבוצות הראלי לאורך אותן שנים.

בתחילת שנות ה-90 גם מפעל AZLK ברוסיה פנה ל-FFD, בבקשה לגרסת ראלי בהנעה בכל הגלגלים של ה-Moskvitch 2141. מכונית הניסוי, שנבנתה סביב אותו מבנה של שלושה דיפרנציאלים כמו ה-Ford RS200, נהגה בצפיוּת יוצאת דופן בתנאים קיצוניים. הבדיקות חשפו עיקרון שעדיין תקף: כוונו את קשיחות הנעילה של כל מצמד צמיגותי בנפרד ומאזן המכונית יזוז בהתאם.

• דיפרנציאל בין-גלגלי אחורי קשיח יותר → נטייה גדולה יותר ליתר-היגוי
• דיפרנציאל קדמי או בין-סרני קשיח יותר → יותר תת-היגוי ויציבות

Electronic Control Arrives

יכולת הכוונון הזו היא בדיוק הסיבה שמכוניות WRC מודרניות משתמשות בחבילות מצמד רב-דיסקי מבוקרות אלקטרונית ולא במצמדים צמיגותיים פסיביים בכל שלושת הדיפרנציאלים. מפעילים הידראוליים ומחשב מובנה משנים את הנעילה של כל דיפרנציאל בזמן אמת — משחררים את המצמדים בכניסה לפנייה כך שהמכונית מסתובבת בחופשיות, ואז לוחצים אותם בהדרגה כשהנהג מאיץ אל הישורת, למען אחיזה מרבית ללא תת-היגוי.

שני יצרנים היו חלוצים בדיפרנציאלים מבוקרים אלקטרונית במכוניות כביש:

• Mercedes-Benz 4Matic (1986, W124 E-Class): שלושה מצמדים מבוקרים אלקטרונית חיברו ברצף את הסרן הקדמי, לאחר מכן נעלו את הדיפרנציאל הבין-סרני, ואז נעלו את הדיפרנציאל האחורי לפי דרישת התנאים. המערכת הייתה יעילה אך מורכבת מדי, והאלקטרוניקה עלולה הייתה לגרום לגלגלים הקדמיים להתחבר ולהתנתק באופן מורגש על משטחים תחוחים.
• Porsche 959 (1986): שני מצמדים מבוקרים אלקטרונית הפועלים על פני ארבעה מצבי נהג הניתנים לבחירה. המערכת של ה-959 הייתה מתוחכמת יותר ומתאימה יותר לשימוש בביצועים גבוהים.

החלפת הדיפרנציאל: Haldex ומערכות הנעה בכל הגלגלים פשוטות יותר

The Visco-Coupler on Its Own

בעוד מהנדסי הראלי דחפו את הדיפרנציאלים בעלי הנעילה העצמית עד קצה גבול היכולת, מעצבי מכוניות הנוסעים הרגילות הלכו בכיוון ההפוך — ביטלו לחלוטין את הדיפרנציאל הבין-סרני והציבו במקומו מצמד צמיגותי. ה-Volkswagen Golf II Syncro משנת 1985 הייתה מכונית הנוסעים האירופית הראשונה שעשתה זאת, עם תיבת הילוכים שפיתחו מהנדסים מ-GKN, שרכשה את FFD ב-1969.

עבור ייצור המוני, הפישוט השתלם:

• דגם ההנעה בכל הגלגלים חלק את רוב הרכיבים עם הגרסה הסטנדרטית בהנעה קדמית, והפחית את עלות הייצור ואת המורכבות
• בתנאים רגילים, המכונית נהגה בדיוק כמו מכונית בהנעה קדמית
• כאשר הגלגלים הקדמיים החליקו, המצמד הצמיגותי יכול היה להעביר עד 70% מהמומנט לאחור בתוך כ-0.2 שניות

אולם ההשהיה יצרה חולשה באחיזת הכביש. מכונית שהתנהגה כמו בהנעה קדמית, ונדחפה החוצה בחזית, יכלה לעבור בפתאומיות להתנהגות מוטית לאחור ברגע שהמצמד נכנס לפעולה — ולהפתיע את הנהג. יצרנים יפניים ניסו תשובות שונות, כולל התקנת מצמדים נוספים: ה-Nissan Sunny/Pulsar משנת 1988 השתמשה בשלושה, אחד לחיבור ההנעה האחורית ואחד לנעילת כל דיפרנציאל בין-גלגלי. ה-Mazda Concerto 4WD הרחיקה עוד יותר, והחליפה במצמדים צמיגותיים גם את הדיפרנציאל הבין-סרני וגם את הדיפרנציאל הבין-גלגלי האחורי.

The Haldex Clutch

הצעד הבא החליף את המצמד הצמיגותי במצמד רב-דיסקי הידראולי מבוקר אלקטרונית — מהיר הרבה יותר, וניתן לבקרה מדויקת הרבה יותר. הדוגמה המוכרת ביותר היא מצמד ה-Haldex, שתפס את מקומו של המצמד הצמיגותי ב-Volkswagen Golf IV ובאחיותיה מאותה פלטפורמה. הוא פועל כך:

• פיקות חזיתיות מזהות כל הפרש במהירות הסיבוב בין הגלים הקדמי לאחורי
• גלילים הנעים על פני משטחי הפיקות דוחפים בוכנות בגלילים טבעתיים, ושואבים נוזל הידראולי
• לחץ הנוזל דוחס את חבילת המצמד הרב-דיסקי, ומעביר מומנט אל הסרן האחורי
• שסתום סולנואיד, המבוקר על ידי האלקטרוניקה של הרכב, יכול לשחרר לחץ בכל נקודה — ומאפשר חלוקת מומנט משתנה באופן אינסופי

רוב המכוניות והקרוסאוברים בהנעה בכל הגלגלים המוצעים למכירה כיום משתמשים בגרסה כלשהי של מצמד מבוקר אלקטרונית זה, בין אם זה Haldex במכוניות קבוצת Volkswagen, ה-VTM-4 של Honda או ה-xDrive של BMW. מצמדים מודרניים פועלים מהר מספיק כך שהשהיית ההתחברות הפכה לבלתי מורגשת בנהיגה רגילה, וכעת הכיול חשוב יותר מהחומרה: ה-Golf 4Motion וה-Audi A3 Quattro משתמשות בתיבות הילוכים זהות מכנית, אך תוכנה שונה מעניקה ל-Volkswagen חלוקה סימטרית בעוד Audi שולחת 60% מהמומנט קדימה לאופי מוכר יותר של הנעה קדמית.

טכנולוגיית הנעה בכל הגלגלים כיום: איזו מערכת הכי טובה?

מערכות הנעה חלקית עם סרן שני המחובר ידנית נעלמו למרבה המזל ממכוניות הנוסעים. מה שנותר מתחלק לשלוש משפחות, לכל אחת יתרונותיה:

• הנעה קבועה בכל הגלגלים עם דיפרנציאל בין-סרני בעל נעילה עצמית (מצמד צמיגותי כמו ב-Subaru, Torsen מכני כמו ב-Audi A4/A6/A8 Quattro וב-Volkswagen Phaeton, או מצמדים מבוקרים אלקטרונית כמו ב-Mitsubishi Lancer Evo): המערכות המתוחכמות והמתגמלות ביותר, המסוגלות לשפר באמת את אחיזת הכביש הן בכביש והן במסלול כאשר הן מכוילות כראוי.
• הנעה קבועה בכל הגלגלים עם דיפרנציאל בין-סרני פתוח (כמו ב-Mercedes-Benz 4Matic): מסתמכת על אלקטרוניקה למניעת החלקה כדי לפצות על היעדר הנעילה העצמית. יעילה על הכביש, אך פחות יזומה מבחינה מכנית.
• הנעה אחורית חלקית באמצעות מצמד מבוקר (Haldex, כמו ב-Volvo, ב-Saab ובקרוסאוברים שונים של קבוצת Volkswagen): המבנה הנפוץ ביותר בקרוסאוברים מודרניים — משתלם, קל, ויכולתו הולכת וגוברת הודות לאלקטרוניקה מהירה יותר.

וקטורינג מומנט, ומה שבא אחריו

המגמה הדומיננטית בהנעה מתקדמת בכל הגלגלים היא וקטורינג מומנט: לא רק חלוקת המומנט בין הסרנים, אלא שינוי פעיל שלו בין הגלגלים השמאלי והימני של סרן. ה-Mitsubishi Lancer Evolution X היא פסגת המדע — מערכת ה-S-AWC שלה משלבת דיפרנציאל מרכזי מבוקר אלקטרונית (ACD) עם דיפרנציאל אחורי מסוג Active Yaw Control (AYC) שיכול להעביר מומנט מגלגל אחורי אחד לשני. מערכי גלגלי שיניים נוספים מזיזים את המאזן באופן יזום, לפני שהאחיזה אובדת, במקום להגיב רק כאשר גלגל כבר מחליק.

בפועל, ההבדלים בעולם האמיתי בין המערכות המודרניות הולכים ומצטמצמים ככל שאלקטרוניקת הבקרה משתפרת. קרוסאובר Haldex מכויל היטב מספק כיום יציבות שדיפרנציאל Torsen מכני היה זוכה עליה להערצה לפני דור. זהו כיוון ההתקדמות — ונקודת הסיום עשויה בהחלט להיות המכונית החשמלית עם ארבעה מנועי גלגל נפרדים, שכל אחד מהם מודד את המומנט שלו בלי מערכת הנעה מכנית כלל. וזה מחזיר את הסיפור באלגנטיות אל המכונית החשמלית בהנעה בכל ארבעת הגלגלים של Ferdinand Porsche משנת 1900.

זהו תרגום. אפשר לקרוא את המקור כאן: https://www.drive.ru/technic/4efb336400f11713001e4f54.html