Napęd na cztery koła: Historia, technologia i zasada działania systemów AWD

Ten artykuł zaczął się jako prosty poradnik techniczny — coś w rodzaju „Wszystko, co zawsze chciałeś wiedzieć o napędzie na cztery koła, ale nie wiedziałeś, kogo zapytać”. Planowaliśmy omówić, czym różni się otwarty dyferencjał od sprzęgła wiskotycznego lub jednostki typu Haldex, co tak naprawdę robią samoblokujące dyferencjały i dlaczego w ogóle ma to znaczenie. Ale im głębiej zagłębialiśmy się w historię, tym bardziej byliśmy zaskoczeni. Okazuje się, że pierwszy samochód osobowy ze stałym napędem na cztery koła powstał w Holandii ponad sto lat temu. A w 1935 roku czterokołowy amerykański samochód wyścigowy zadziwiająco blisko zmienił bieg historii świata.

Po co samochodowi osobowemu napęd na cztery koła? W XXI wieku odpowiedź wydaje się oczywista: lepsza przyczepność, mniejszy poślizg kół na śliskich nawierzchniach i lepsza sterowność pod obciążeniem. Cztery napędzane koła są po prostu lepsze niż dwa. Jednak ludzkość zaskakująco długo zwlekała z działaniem na podstawie tej prostej prawdy. Zapytaj dowolnego historyka motoryzacji, a powie ci, że era napędu na cztery koła w samochodach osobowych dla masowego rynku zaczęła się w 1980 roku wraz z Audi Quattro. Może też wspomnieć o rzadkich poprzednikach — brytyjskim supersamochodzie Jensen FF z 1966 roku i Subaru Leone 4WD z 1972 roku. Prawdziwy ekspert szybko jednak zauważy, że wczesne Subaru z napędem na cztery koła wcale nie miały stałego systemu AWD — był to napęd doraźny. I jak wyjaśnimy, to kluczowa różnica.

Doraźny napęd 4WD: Rozwiązanie tymczasowe

Doraźny napęd jednej osi to rozwiązanie kompromisowe i niezbyt eleganckie w przypadku samochodów drogowych. Termin „Part-Time 4WD” pochodzi ze świata SUV-ów i samochodów terenowych. W tej konfiguracji jedna oś napędza stale, podczas gdy druga jest sztywno podłączana na żądanie — ale to sztywne połączenie można stosować wyłącznie w terenie. Na utwardzonej nawierzchni system doraźny musi być całkowicie wyłączony. Oto dlaczego:

• Gdy samochód skręca, przednie koła pokonują dłuższy łuk niż tylne i muszą się obracać szybciej.
• W przypadku sztywno połączonego systemu napędu na cztery koła przyczepność przednich kół jest zmniejszona, a moment obrotowy na tylnych wzrasta.
• W niektórych przypadkach przednie koła mogą wręcz wytwarzać siłę hamowania zamiast siły napędowej — zwiększając opór i utrudniając kierowanie.
• Na luźnych nawierzchniach, takich jak błoto lub śnieg, efekt ten jest do opanowania, ale na asfalcie powoduje poważne blokowanie układu napędowego i problemy z prowadzeniem.

Gdy samochód pokonuje zakręt, każde koło porusza się po własnym łuku i musi obracać się z inną prędkością. Dlatego stały system napędu na cztery koła wymaga trzech dyferencjałów: dwóch międzykołowych (po jednym na każdą oś) i jednego między osiami, pozwalającego obu napędzanym osiom obracać się niezależnie od siebie.

Mimo tych wad sztywnie połączony napęd na cztery koła pojawił się w niektórych pojazdach drogowych — choć były one bardziej zbliżone charakterem do samochodów terenowych. W ZSRR na przykład GAZ-61 „Emka” — sedan z napędem na cztery koła, silnikiem sześciocylindrowym i doraźną przednią osią — wszedł do małoseryjnej produkcji już w 1938 roku. Po wojnie podobne układy napędowe pojawiły się w terenowej wersji GAZ-M72 „Pobieda” oraz w Moskwiczu-410. Subaru Leone 4WD z 1972 roku kierowało się tą samą logiką: było budowane do jazdy w terenie, z wyższym prześwitem niż standardowe Subaru z napędem na przednie koła i ręcznie włączaną tylną osią.

Subaru Leone 4WD Station Wagon (1972–1979) było adaptacją platformy z napędem na przednie koła do wersji czterokołowej, z ręcznie włączaną tylną osią. Kluczowe dane techniczne obejmowały:

• Silniki: 1,4 l (72 KM) lub 1,6 l (80 KM)
• Nadwozia: kombi, sedan i pickup
• Włączanie napędu tylnego: ręczne w wersjach z manualną skrzynią biegów; automatyczne za pomocą wielotarczowego sprzęgła ciernego w wersjach z automatem
• Ten doraźny układ był stosowany we wszystkich Subaru z napędem na cztery koła aż do 1989 roku

Podstawowym problemem doraźnego napędu na cztery koła jest to, że jest bezużyteczny na utwardzonych drogach, gdzie samochody spędzają większość czasu — a mimo to musi przez cały czas dźwigać dodatkowy ciężar skrzynki rozdzielczej, drugiego wału napędowego i tylnego układu osi. Przekształcenie systemu doraźnego w stały wymaga jednak tylko jednego dodatkowego elementu: dyferencjału między osiami w skrzynce rozdzielczej.

Stały napęd na wszystkie koła: Jak działa i dlaczego ma znaczenie

Dyferencjał między osiami jest kluczem do stałego napędu na cztery koła. Dwa dyferencjały między kołami — po jednym na każdej osi — pozwalają lewemu i prawemu kołu na każdej osi obracać się z różną prędkością w zakrętach. Dyferencjał między osiami pełni tę samą funkcję między przednią a tylną osią. Samochód wyposażony we wszystkie trzy dyferencjały może jeździć ze stałym napędem na cztery koła na każdej nawierzchni bez blokowania układu napędowego ani pogorszenia prowadzenia.

Proste w teorii — a jednak do początku lat 80. motoryzacyjny mainstream uważał stały AWD za zbędny w samochodach osobowych. Panujące przekonanie głosiło, że ciągłe obracanie drugiej pary kół i wszystkich powiązanych elementów układu napędowego na suchym asfalcie generuje hałas i marnuje paliwo. Audi Quattro zmieniło to myślenie na zawsze. Dzięki rozdziałowi momentu obrotowego silnika na wszystkie cztery koła przez cały czas, stały system AWD:

• Pozostawia większy margines przyczepności dostępny dla sił bocznych w zakrętach
• Znacząco poprawia stabilność podczas przyspieszania lub hamowania w środku zakrętu
• Zmniejsza ryzyko nagłej nadsterowności lub podsterowności wywołanej wejściem na gaz

Audi 80 Quattro z końca lat 80. ilustruje, jak dopracowany stał się ten układ. Architektura Quattro jest bardziej kompaktowa niż konkurencyjna skrzynia Ferguson Formula. Od 1984 roku Audi zastosowało samoblokujący dyferencjał Torsen — czysto mechaniczne urządzenie reagujące na zmiany momentu obrotowego na każdym wale wyjściowym, a nie na różnice prędkości kół. W przeciwieństwie do dyferencjału z blokadą opartą na sprzęgle wiskotycznym, Torsen blokuje się tylko przy trakcji, nie przy hamowaniu, co oznacza pełną kompatybilność z systemami ABS i poprawia stabilność podczas zwalniania.

Warto zaznaczyć, że Range Rover (1970) i rosyjska Łada Niva (1976) są na ogół uważane za pierwsze seryjnie produkowane pojazdy z dyferencjałami między osiami — oba należą jednak zdecydowanie do kategorii pojazdów terenowych. Audi Quattro dzierży tytuł pioniera wyłącznie wśród samochodów osobowych.

Wczesne wyścigowe samochody z napędem na cztery koła: Od Spykera do Bugatti

Czy projektanci samochodów wyścigowych badali stały napęd na cztery koła przed erą Quattro? Odpowiedź brzmi zdecydowanie tak — a historia sięga znacznie dalej, niż większość ludzi się spodziewa.

Pierwszy powojenny projekt Ferdinanda Porschego to czterokołowy samochód wyścigowy: Cisitalia 360 ze środkowym silnikiem i dwunastocylindrowym silnikiem o pojemności 1,5 l. Jednak jego napęd na przednie koła był doraźny — kierowca włączał go tylko na prostych odcinkach toru, przełączając z powrotem na napęd tylny przed zakrętami.

Porsche zbudował jednak pojazd z napędem na cztery koła znacznie wcześniej: samochód elektryczny z czterema indywidualnymi silnikami kołowymi, sięgający roku 1900. Prawdziwym szokiem dla historyków motoryzacji jest jednak wyścigowy samochód zbudowany w 1902 roku przez holenderskiego producenta Spyker. W czasach, gdy nawet hamulce montowano wyłącznie na tylnych kołach, ten samochód miał prawdziwy stały napęd na cztery koła — z dyferencjałem między osiami.

Firma Spyker została założona w 1880 roku przez braci Spijker jako producent powozów konnych. Ich pierwszy samochód pojawił się w 1900 roku, a dwa lata później, we współpracy z belgijskim projektantem Josephem Valentinem Laviolette’em, stworzyli czterokołowy wyścigowy Spyker 60 HP (1902–1907). Jego specyfikacja była wyjątkowo zaawansowana jak na tamte czasy:

• Trzy dyferencjały — między osiami i obydwa między kołami
• Trzy oddzielne mechanizmy hamowania — dwa na tylnych kołach, jeden na przednim wale napędowym
• System napędu na cztery koła, który pod względem koncepcji nie miał przez dziesięciolecia równego sobie

Koncepcja stałego napędu na cztery koła ma zatem ponad sto lat. Nie zbudowano wielu Spykerów z napędem na cztery koła — były niezwykle drogie i nigdy nie odniosły znaczących sukcesów wyścigowych. Na początku lat 30. pojawiły się dwa kolejne ambitne wyścigowe projekty AWD: Bugatti Tipo 53 i Miller FWD.

Projekt Bugatti Tipo 53 zrodził się z inicjatywy inżyniera Fiata, Antonia Pichetta, który zaproponował ten pomysł Ettore Bugatti w 1930 roku. Trzy samochody ukończono w 1932 roku, każdy z:

• Doładowanym rzędowym silnikiem ośmiocylindrowym o mocy 300 KM
• Stałym napędem na cztery koła z trzema dyferencjałami
• Skrzynką rozdzielczą i dyferencjałem między osiami zintegrowanymi z oddzielnie zamontowaną skrzynią biegów
• Wałami napędowymi obu osi umieszczonymi po lewej stronie samochodu
• Niezależnym zawieszeniem przednim na poprzecznym resorze — niezwykłe dla Bugatti

Pomimo przewyższania ówczesnych samochodów tylnonapędowych na żwirowych zakrętach, Tipo 53 cierpiał z powodu nadmiernych oporów kierownicy wynikających z zastosowania standardowych przegubów Cardana zamiast przegubów homokinetycznych w przednich wałach napędowych. Trzy samochody startowały do 1935 roku.

Miller FWD powstał częściowo dlatego, że amerykański projektant Harry Miller studiował zakupionego specjalnie do rozkładania przednionapędowego Bugatti. Zainspirowany podejściem Bugatti, Miller opracował własne czterokołowe podwozie przy wsparciu sponsorskim firmy ciężarówkowej FWD. Jeden z czterokołowych Millerów prowadził wyścig Indianapolis 500 w 1934 roku, zanim wycofał się z powodu awarii mechanicznej na dziewiątym miejscu.

Samochody te wiążą się też z jednym z najdziwniejszych momentów „co by było gdyby” w historii motoryzacji. Podczas wyścigu na torze AVUS w Berlinie w 1935 roku czterokołowy Miller jechał na trzecim miejscu, gdy jego rzędowy silnik ośmiocylindrowy uległ katastrofalnej awarii, wyrzucając szczątki w kierunku trybun. Adolf Hitler był tego dnia obecny na trybunach. Gdyby nawet mały odłamek w niego trafił, bieg II wojny światowej — i historii świata — mógłby potoczyć się zupełnie inaczej.

Formuła Ferguson: System AWD, który zmienił wszystko

Aby zrozumieć kolejny kluczowy rozdział historii napędu na cztery koła, warto powrócić do podstawowego ograniczenia otwartych dyferencjałów między osiami. Otwarty dyferencjał pozwala jednej osi kręcić się swobodnie, podczas gdy druga nie otrzymuje żadnego momentu obrotowego. Jeśli tylne koła całkowicie utracą przyczepność, przednie koła mogą pozostawać w bezruchu, podczas gdy tylne się kręcą — dyferencjał nie zapobiega temu w żaden sposób.

Rozwiązaniem opracowanym dla SUV-ów była blokada sztywna: kierowca ręcznie włącza mechanizm sztywno blokujący koła dyferencjału, przekształcając napęd różnicowy w stałe połączenie. To podejście stosowano we wczesnych Range Roverach, Ładzie Nivie i wielu innych pojazdach terenowych — w tym w pierwszej generacji Audi Quattro, które wymagało od kierowcy ręcznego blokowania centralnego dyferencjału aż do 1984 roku. Ale ręczna blokada to kolejny kompromis: musi być wyłączona na twardych nawierzchniach i nie oferuje żadnej ochrony, gdy poślizg kół zaczyna się niespodziewanie na śliskiej drodze.

Pierwszy automatyczny samoblokujący dyferencjał między osiami był dziełem brytyjskiego kierowcy wyścigowego i inżyniera Tony’ego Rolta. Wraz ze swoim przyjacielem i współzawodnikiem Fredem Dixonem, Rolt prowadził warsztat Rolt/Dixon Developments przed wojną. Potem obaj zafascynowali się potencjałem stałego napędu na cztery koła. Po zbudowaniu eksperymentalnego czterokołowego pojazdu testowego zwanego „Crab”, w 1950 roku połączyli siły z Harrym Fergusonem — odnoszącym sukcesy producentem traktorów — tworząc Harry Ferguson Research.

Wizja Fergusona to nie samochód wyścigowy, lecz prawdziwie bezpieczny samochód drogowy: taki, którego koła nie będą się ślizgać przy przyspieszaniu ani blokować przy hamowaniu. Rolt i Dixon postanowili zaprojektować taki samochód całkowicie od podstaw — nadwozie, skrzynię biegów i układ napędowy włącznie. Przy doświadczonym projektancie Claude’zie Hillu (wcześniej w Aston Martin) zatrudnionym jako główny inżynier, eksperymentalny sedan Ferguson R4 ukończono po sześciu latach prac. Jego specyfikacja była niezwykła jak na 1956 rok:

• Stały napęd na cztery koła z samoblokującym dyferencjałem między osiami
• Silnik czterocylindrowy bokser
• Hamulce tarczowe na wszystkich czterech kołach
• Elektromechaniczny układ przeciwblokujący Dunlop MaxaRet, zaadaptowany z lotnictwa

Sercem skrzyni Ferguson Formula był pomysłowy mechanizm samoblokujący w skrzynce rozdzielczej. Oprócz dyferencjału, jednostka zawierała dodatkowy zestaw kół zębatych, dwa kulkowe sprzęgła jednokierunkowe i dwa pakiety tarcz ciernych. W normalnych warunkach elementy te pracowały cichutko na biegu jałowym. Ale gdy koła jednej osi zaczęły się ślizgać — powodując różnicę prędkości wałów wyjściowych — jedno ze sprzęgieł włączało się, ściskając pakiet tarczy przy kołach dyferencjału i natychmiast przekształcając napęd różnicowy w stałe połączenie.

Drugi prototyp, kombi Ferguson R5 z 1962 roku, był jeszcze bardziej zdolny. Testerzy magazynu Autocar zauważyli, że osiągał granice przyczepności przy prędkościach, które wydawały się niemal niemożliwe. Mimo to żaden producent nie zgodził się wprowadzić Fergusona do produkcji — złożoność i koszt były zbyt wysokie. Jednak w 1962 roku Tony Rolt przekonał kierownictwo Jensen Cars do adaptacji skrzyni biegów Ferguson Formula do ich nadchodzącego coupe CV8, które używało silnika Chrysler V8 o mocy 300 KM. Trzy lata później ukończono eksperymentalny czterokołowy Jensen CV8 FF.

W 1966 roku Jensen Interceptor zastąpił CV8 — i obok standardowego coupe z napędem na tylne koła Jensen oferował wariant z napędem na cztery koła oznaczony dyskretną tabliczką „FF”. Jensen FF stał się pierwszym seryjnym samochodem na świecie łączącym samoblokujący dyferencjał między osiami z ABS. Oznaczenie „FF” oznaczało „Formula Ferguson”. Kluczowe dane techniczne:

• Silnik Chrysler V8 big-block o pojemności 6,3 l i mocy 325 KM
• Trzybiegowa automatyczna skrzynia TorqueFlite lub czterobiegowa manualna
• Asymetryczny podział momentu obrotowego: 63% na tylną oś, 37% na przednią — dla zachowania charakteru prowadzenia typowego dla napędu tylnego
• Jednostopniowy ABS Dunlop MaxaRet
• Wspomagana przekładnia zębatkowa i hamulce tarczowe dookoła
• Prędkość maksymalna 212 km/h; 0–100 km/h w 7,7 s; masa własna około 1800 kg
• Cena w Wielkiej Brytanii w 1968 roku: około 6 000 funtów — zbliżona do najtańszego Rolls-Royce’a
• Łączna produkcja: 318 sztuk (1966–1971)

Każdy dziennikarz motoryzacyjny tamtej epoki chwalił wyjątkową stabilność Jensena FF i to, co opisywali jako „niemal nieograniczony margines trakcji na mokrym asfalcie”. Tragicznie, Harry Ferguson nigdy nie zobaczył Jensena FF — zmarł w 1960 roku.

Dlaczego poświęcamy tyle miejsca Formule Ferguson? Ponieważ Harry Ferguson Research była pierwszą organizacją na świecie, która traktowała napęd na cztery koła przede wszystkim jako narzędzie aktywnego bezpieczeństwa — a nie jedynie jako rozwiązanie problemu trakcji w terenie. Asymetryczny podział momentu obrotowego był świadomym wyborem mającym na celu uniknięcie nieprzewidywalności, która dręczy symetryczne systemy AWD. W samochodzie tylnonapędowym nadmierne wciskanie gazu w śliskim zakręcie powoduje przewidywalną nadsterowność. W samochodzie przednionapędowym — przewidywalną podsterowność. W symetrycznym AWD reakcja zależy od tego, która oś ma gorszą przyczepność — co może być niejednoznaczne i niebezpieczne. Poprzez skierowanie większego momentu obrotowego na tył, Ferguson Formula nadawała Jensenowi FF niemal przewidywalne prowadzenie w stylu tylnonapędowym w większości warunków.

Wynalezienie sprzęgła wiskotycznego

Samoblokujący mechanizm Formuły Ferguson miał jedno istotne ograniczenie: jego sprzęgła jednokierunkowe działały w trybie binarnym, włącz-wyłącz. Przejście od otwartego dyferencjału do pełnej blokady było natychmiastowe, co mogło tworzyć własną niejednoznaczność prowadzenia w momencie włączenia. Potrzebny był mechanizm zdolny do płynnego i stopniowego zmieniania stopnia blokady dyferencjału.

Pod koniec lat 60. Tony Rolt i Derek Gardner — późniejszy główny projektant samochodów Formuły 1 zespołu Tyrrell — zaczęli eksperymentować z płynem silikonowym stosowanym w lepkościowych sprzęgłach wentylatorów. Efektem było sprzęgło wiskotyczne: cylindryczna obudowa wypełniona płynem silikonowym, zawierająca naprzemiennie ułożone pakiety tarcz ciernych połączonych z każdym wałem wyjściowym.

Oto jak to działa:

• W normalnych warunkach, gdy wszystkie koła obracają się z podobną prędkością, pakiety tarcz ledwo poruszają się względem siebie i sprzęgło nie ma żadnego wpływu na dyferencjał.
• Gdy jedna oś zaczyna się ślizgać, jej wał wyjściowy obraca się szybciej, powodując wzajemny obrót pakietów tarcz i ścinanie płynu silikonowego.
• Ścinanie zwiększa temperaturę i ciśnienie wewnątrz sprzęgła, drastycznie zwiększając lepkość płynu.
• Wzrost lepkości powoduje, że tarcze zaczynają się o siebie ocierać, stopniowo hamując szybciej obracający się wał i częściowo lub całkowicie blokując dyferencjał.

Po opatentowaniu sprzęgła wiskotycznego Tony Rolt założył FF Developments (FFD) w 1971 roku, aby komercyjnie dostarczać układy napędowe z napędem na cztery koła. Wczesne projekty obejmowały furgony Bedford z napędem na cztery koła dla brytyjskich służb leśnych, partię samochodów policyjnych Ford Zephyr FF i sedany Opel Senator 4×4 dla brytyjskiej misji wojskowej w Berlinie.

Najważniejszym osiągnięciem produkcyjnym FFD był układ napędowy dla AMC Eagle (1979–1988) — podwyższonej wersji sedana AMC Concord z napędem na cztery koła, wyposażonej w większe opony i podniesione nadwozie o 75 mm. AMC Eagle był pierwszym seryjnym samochodem na świecie z dyferencjałem między osiami zablokowanym sprzęgłem wiskotycznym. Choć pomyślany jako lekka terenówka, a nie samochód sportowy, jego architektura układu napędowego stała się bezpośrednim przodkiem niektórych najbardziej cenionych sportowych samochodów AWD — w tym wczesnych generacji Subaru Impreza WRX i Mitsubishi Lancer Evolution.

Samoblokujące dyferencjały: Od Torsena do sterowania elektronicznego

Kiedy Audi Quattro weszło do produkcji w 1981 roku — dwa lata po debiucie AMC Eagle — używało konwencjonalnego otwartego dyferencjału między osiami z ręcznie obsługiwaną blokadą sztywną. Elegancja rozwiązania Audi leżała w kompaktowości: podłużnie zamontowany silnik kierował się bezpośrednio ku tylnej osi, a dyferencjał między osiami był zintegrowany bezpośrednio ze skrzynią biegów. Wtórny wał skrzyni biegów wykonano jako drążony, a przedni wał napędowy był poprowadzony przez jego wnętrze. Zespół Ferdinanda Piëcha wybrał symetryczny podział momentu obrotowego 50:50 między przednią a tylną oś.

W 1984 roku dźwignie ręcznej blokady dyferencjału zniknęły wreszcie z wnętrz Audi, zastąpione przez samoblokujący dyferencjał Torsen (TORque SENsing). Torsen oferuje kilka kluczowych zalet:

• Jest całkowicie mechaniczny — nie wymaga elektroniki, płynu ani interwencji kierowcy
• Reaguje na zmiany momentu obrotowego na wałach wyjściowych, a nie na różnice prędkości, co oznacza, że może reagować, zanim poślizg kół faktycznie się rozpocznie
• W przeciwieństwie do sprzęgła wiskotycznego, blokuje się tylko przy trakcji, nie przy hamowaniu, co czyni go w pełni kompatybilnym z ABS
• Blokowanie i odblokowywanie jest płynne i ciągłe, bez binarnych przejść

Sprawdzona zdolność Torsena do poprawy prowadzenia i stabilności w samochodach sportowych przyciągnęła później inżynierów SUV-ów szukających dynamiki zbliżonej do samochodów osobowych. Dziś stosowany jest w układach napędowych takich pojazdów jak Range Rover, Volkswagen Touareg, Porsche Cayenne i Toyota Land Cruiser Prado.

W latach 80. dominacja Audi Quattro w rajdach wywołała wyścig zbrojeń w napędzie na cztery koła wśród zawodników Grupy B. W ciągu kilku sezonów pojawiły się następujące czterokołowe samochody rajdowe — każdy używający technologii sprzęgła wiskotycznego FFD w samoblokujących dyferencjałach:

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

Stuart Rolt, syn Tony’ego, zarządzał relacjami FFD z zespołami rajdowymi w tym okresie.

Na początku lat 90. fabryka AZŁK w Rosji zwróciła się również do FFD z prośbą o opracowanie rajdowej wersji Moskwicza 2141 z napędem na cztery koła. Używając tego samego układu trzech dyferencjałów co Ford RS200, eksperymentalny czterokołowy Moskwicz osiągał zadziwiająco przewidywalne prowadzenie w ekstremalnych warunkach. Testy ujawniły ważną zasadę: regulując indywidualnie sztywność blokowania każdego sprzęgła wiskotycznego, inżynierowie mogli kształtować balans prowadzenia samochodu w szerokim zakresie:

• Twardszy tylny dyferencjał między kołami → większa tendencja do nadsterowności
• Twardszy przedni lub między osiami dyferencjał → większa podsterowność i stabilność

Ta możliwość strojenia jest powodem, dla którego współczesne samochody rajdowe WRC używają elektronicznie sterowanych wielotarczowych pakietów sprzęgłowych zamiast pasywnych sprzęgieł wiskotycznych we wszystkich trzech dyferencjałach. Hydrauliczne siłowniki i komputer pokładowy mogą w czasie rzeczywistym zmieniać stopień blokowania każdego dyferencjału — zwalniając sprzęgła podczas wchodzenia w zakręt, aby samochód swobodnie rotował, a następnie stopniowo je ściskając, gdy kierowca przyspiesza na prostą, aby zmaksymalizować trakcję przy unikaniu podsterowności.

Dwaj producenci byli pionierami elektronicznie sterowanych dyferencjałów w samochodach drogowych:

• Mercedes-Benz 4Matic (1986, W124 E-Klasa): Trzy elektronicznie sterowane sprzęgła sekwencyjnie podłączały przednią oś, następnie blokowały dyferencjał między osiami, a potem blokowały tylny dyferencjał w miarę potrzeb. System był skuteczny, lecz nadmiernie skomplikowany, a elektronika mogła powodować zauważalne podłączanie i odłączanie przednich kół na luźnych nawierzchniach.
• Porsche 959 (1986): Dwa elektronicznie sterowane sprzęgła pracujące w czterech wybieranych przez kierowcę trybach. System 959 był bardziej zaawansowany i lepiej dostosowany do zastosowań wysokowydajnościowych.

Zastępowanie dyferencjału: Haldex i uproszczone systemy AWD

Podczas gdy inżynierowie rajdowi doprowadzali samoblokujące dyferencjały do granic możliwości, projektanci samochodów osobowych dla masowego rynku poszli w przeciwnym kierunku — eliminując dyferencjał między osiami całkowicie i zastępując go wyłącznie sprzęgłem wiskotycznym. Volkswagen Golf II Syncro z 1985 roku był pierwszym europejskim samochodem osobowym stosującym to podejście. Układ napędowy opracowali inżynierowie GKN, który przejął FFD w 1969 roku.

Uproszczony układ ze sprzęgłem wiskotycznym oferował wyraźne zalety dla produkcji masowej:

• Model z napędem na cztery koła dzielił większość podzespołów ze standardową wersją z napędem na przednie koła, redukując koszty produkcji i złożoność
• W normalnych warunkach samochód prowadził się identycznie jak wersja z napędem na przednie koła
• Gdy przednie koła ślizgały się, sprzęgło wiskotyczne mogło przenosić do 70% momentu obrotowego na tylną oś w ciągu około 0,2 sekundy

Jednak to opóźnione włączanie stwarzało ryzyko w prowadzeniu: samochód zachowujący się początkowo jak pojazd z napędem na przednie koła (wyjeżdżający szerokim łukiem z przodu) mógł nagle przesunąć się ku zachowaniu z tylnym obciążeniem, gdy sprzęgło wiskotyczne włączyło się, zaskakując kierowców. Japońscy producenci badali różne rozwiązania, w tym montowanie wielu sprzęgieł wiskotycznych — niektóre modele, jak Nissan Sunny/Pulsar z 1988 roku, używały trzech: jednego do włączania napędu tylnego i jednego do blokowania każdego dyferencjału między kołami. Mazda Concerto 4WD poszła jeszcze dalej, używając sprzęgieł wiskotycznych zamiast zarówno dyferencjału między osiami, jak i tylnego dyferencjału między kołami.

Kolejny ewolucyjny krok zastąpił sprzęgło wiskotyczne elektronicznie sterowanym hydraulicznym sprzęgłem wielotarczowym — urządzeniem znacznie szybszym i dokładniej sterowalnym. Sprzęgło Haldex, które zastąpiło sprzęgło wiskotyczne w Volkswagenie Golf IV i jego platformowych odpowiednikach, jest najbardziej znanych przykładem tej technologii. Oto jak działa:

• Krzywki czołowe wykrywają różnicę prędkości obrotowej między przednim i tylnym wałem
• Rolki poruszające się po powierzchniach krzywek wciskają tłoki w cylindry pierścieniowe, pompując płyn hydrauliczny
• Ciśnienie płynu ściska pakiet tarcz sprzęgła wielotarczowego, przenosząc moment obrotowy na tylną oś
• Zawór elektromagnetyczny, sterowany przez elektronikę pojazdu, może w dowolnym momencie zwolnić ciśnienie — umożliwiając nieskończenie zmienne rozdzielanie momentu obrotowego

Dziś większość samochodów osobowych i crossoverów z napędem AWD używa jakiegoś wariantu tej elektronicznie sterowanej architektury sprzęgłowej — czy to Haldexa w pojazdach Grupy Volkswagen, Honda VTM-4, czy BMW xDrive. Prędkość nowoczesnych systemów sprzęgłowych zredukowała opóźnienie włączania do punktu, w którym jest ono niewyczuwalne w normalnej jeździe. Strojenie oprogramowania sterującego ma teraz większe znaczenie niż sam sprzęt: Golf 4Motion i Audi A3 Quattro używają mechanicznie identycznych skrzyń biegów, ale inne oprogramowanie daje Volkswagenowi symetryczny podział momentu obrotowego, podczas gdy kalibracja Audi kieruje 60% momentu na przód dla bardziej znajomego charakteru napędu przedniego.

Technologia AWD dziś: Który system jest najlepszy?

Doraźne systemy napędu na cztery koła z ręcznie włączaną drugą osią na szczęście zniknęły z samochodów osobowych. Pozostałe architektury mają swoje zalety:

• Stały AWD z samoblokującym dyferencjałem między osiami (sprzęgło wiskotyczne jak w Subaru, mechaniczny Torsen jak w Audi A4/A6/A8 Quattro i Volkswagen Phaeton, lub elektronicznie sterowane sprzęgła jak w Mitsubishi Lancer Evo): najbardziej zaawansowane i satysfakcjonujące systemy, zdolne do rzeczywistej poprawy prowadzenia zarówno na drodze, jak i na torze, gdy są odpowiednio skalibrowane.
• Stały AWD z otwartym dyferencjałem między osiami (jak w Mercedes-Benz 4Matic): opiera się na elektronice przeciwpoślizgowej, aby kompensować brak samoblokowania. Skuteczny na drodze, ale mechanicznie mniej proaktywny.
• Doraźny napęd tylny przez sterowane sprzęgło (Haldex, jak w Volvo, Saab i różnych crossoverach Grupy Volkswagen): najpopularniejszy układ w nowoczesnych crossoverach — opłacalny, lekki i coraz bardziej zdolny dzięki szybszej elektronice.

Dominującym trendem w zaawansowanym AWD jest wektorowanie momentu obrotowego — nie tylko rozdzielanie momentu między przednią i tylną osią, ale aktywne jego zmienianie między lewym i prawym kołem na osi. Mitsubishi Lancer Evolution X reprezentuje stan techniki: jego system S-AWC łączy elektronicznie sterowany centralny dyferencjał (ACD) z tylnym dyferencjałem Active Yaw Control (AYC) zdolnym do niezależnego przenoszenia momentu obrotowego między tylnymi kołami. Dodatkowe zestawy kół zębatych mogą proaktywnie przesuwać balans momentu obrotowego przed utratą przyczepności, a nie reaktywnie po już rozpoczętym poślizgu kół.

W praktyce rzeczywiste różnice w prowadzeniu między nowoczesnymi systemami AWD nadal się zmniejszają, w miarę jak elektronika sterująca staje się coraz bardziej zaawansowana. Dobrze skalibrowany system oparty na Haldexie w crossoverze może zapewniać stabilność, która jeszcze pokolenie temu wydawałaby się niezwykła przy mechanicznym dyferencjale Torsen. To ostatecznie kierunek, w którym zmierza ta technologia — a punktem końcowym może być samochód elektryczny z czterema indywidualnymi silnikami kołowymi, z których każdy dostarcza precyzyjnie kontrolowany moment obrotowy bez żadnego mechanicznego układu napędowego.

To jest tłumaczenie. Oryginał można przeczytać tutaj: https://www.drive.ru/technic/4efb336400f11713001e4f54.html