ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อ: ประวัติ เทคโนโลยี และหลักการทำงานของระบบ AWD

บทความนี้เริ่มต้นขึ้นในฐานะคู่มือทางเทคนิคที่ตรงไปตรงมา — ทำนองว่า “ทุกสิ่งที่คุณอยากรู้เกี่ยวกับระบบขับเคลื่อนสี่ล้อแต่ไม่รู้จะถามใคร” แผนคือการอธิบายว่าเฟืองท้ายแบบเปิด (open differential) แตกต่างจากวิสโค-คัปเปลอร์ (visco-coupler) หรือชุดฮาลเดกซ์ (Haldex) อย่างไร เฟืองท้ายแบบล็อกตัวเอง (self-locking differential) ทำงานอย่างไรจริง ๆ และทำไมสิ่งเหล่านี้จึงสำคัญ แต่ยิ่งเราขุดลึกลงไปในประวัติศาสตร์มากเท่าไร มันก็ยิ่งน่าประหลาดใจมากขึ้นเท่านั้น รถยนต์นั่งคันแรกที่มีระบบขับเคลื่อนสี่ล้อถาวรถูกสร้างขึ้นในเนเธอร์แลนด์เมื่อกว่าร้อยปีก่อน และในปี 1935 รถแข่งสัญชาติอเมริกันที่ขับเคลื่อนสี่ล้อก็เกือบจะเปลี่ยนวิถีของประวัติศาสตร์โลกอย่างน่าอัศจรรย์

ทำไมรถยนต์นั่งจึงต้องการระบบขับเคลื่อนสี่ล้อด้วยเล่า? ในศตวรรษที่ 21 คำตอบดูชัดเจน: การยึดเกาะที่ดีขึ้น ล้อฟรีน้อยลงบนพื้นผิวลื่น และความนิ่งที่ดีขึ้นเมื่อกดคันเร่ง ล้อขับสี่ล้อย่อมดีกว่าสองล้ออยู่แล้ว กระนั้นอุตสาหกรรมกลับใช้เวลานานอย่างน่าประหลาดใจกว่าจะลงมือทำ ลองถามนักประวัติศาสตร์ยานยนต์คนใดก็ได้ แล้วพวกเขาจะบอกคุณว่ายุคของระบบขับเคลื่อนสี่ล้อสำหรับรถตลาดมวลชนเริ่มต้นขึ้นในปี 1980 ด้วย Audi Quattro โดยมีผู้บุกเบิกที่หายากอยู่สองสามราย — ซูเปอร์คาร์สัญชาติอังกฤษ Jensen FF ปี 1966 และ Subaru Leone 4WD ปี 1972 ผู้เชี่ยวชาญตัวจริงจะเสริมว่า Subaru ขับเคลื่อนสี่ล้อรุ่นแรก ๆ นั้นไม่ใช่ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อถาวรเลย พวกมันเป็นแบบพาร์ตไทม์ และความแตกต่างตรงนี้เองที่กลายเป็นเรื่องราวทั้งหมด

ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อแบบพาร์ตไทม์: ทางออกชั่วคราว

การขับเคลื่อนเพลาเดียวเพียงบางเวลาเป็นการประนีประนอม และไม่ใช่การประนีประนอมที่สวยงามนักสำหรับรถใช้บนถนน คำว่า “ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อแบบพาร์ตไทม์” มาจากโลกของรถ SUV และรถบรรทุกออฟโรด ในรูปแบบนี้เพลาหนึ่งขับเคลื่อนอยู่ตลอดเวลา ส่วนอีกเพลาหนึ่งเชื่อมต่อแบบตายตัวเมื่อต้องการ — แต่การเชื่อมต่อแบบตายตัวนั้นใช้ได้เฉพาะนอกถนนเท่านั้น บนถนนลาดยาง ระบบต้องถูกปลดออกทั้งหมด

ทำไมการเชื่อมต่อแบบตายตัวจึงใช้ไม่ได้บนถนนลาดยาง

• เมื่อรถเลี้ยว ล้อหน้าเดินทางเป็นส่วนโค้งที่ยาวกว่าล้อหลัง จึงต้องหมุนเร็วกว่า
• ด้วยระบบขับเคลื่อนสี่ล้อที่เชื่อมต่อแบบตายตัว การยึดเกาะที่ล้อหน้าจะลดลงในขณะที่แรงบิดที่ล้อหลังเพิ่มขึ้น
• ในบางกรณี ล้อหน้าอาจสร้างแรงเบรกแทนที่จะเป็นแรงขับ — เพิ่มแรงต้านและทำให้บังคับเลี้ยวรถได้ยากขึ้น
• บนพื้นผิวหลวมเช่นโคลนหรือหิมะ สิ่งนี้ยังพอรับมือได้ แต่บนถนนลาดยางมันทำให้ระบบส่งกำลังติดขัดอย่างรุนแรงและเกิดปัญหาการควบคุมรถ

เมื่อผ่านโค้ง ล้อทุกล้อจะเดินตามส่วนโค้งของตัวเองและต้องหมุนด้วยความเร็วของตัวเอง นั่นคือเหตุผลที่ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อถาวรต้องการเฟืองท้ายสามชุด: สองชุดระหว่างล้อของแต่ละเพลา และหนึ่งชุดระหว่างเพลาทั้งสอง เพื่อให้เพลาหน้าและหลังหมุนได้อย่างอิสระต่อกัน

รถแบบพาร์ตไทม์: จาก GAZ-61 ถึง Subaru Leone

ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อที่เชื่อมต่อแบบตายตัวก็ยังไปถึงรถใช้บนถนนอยู่บ้างแม้จะมีข้อจำกัดทั้งหมดนี้ ถึงแม้ว่ารถเหล่านั้นจะมีลักษณะใกล้เคียงกับรถบรรทุกออฟโรดมากกว่า ในสหภาพโซเวียต GAZ-61 “Emka” — รถซีดานขับเคลื่อนสี่ล้อพร้อมเครื่องยนต์หกสูบและเพลาหน้าแบบพาร์ตไทม์ — เข้าสู่การผลิตล็อตเล็กตั้งแต่ปี 1938 หลังสงคราม แนวคิดเดียวกันนี้ปรากฏในรถออฟโรด GAZ-M72 “Pobeda” และ Moskvitch-410 Subaru Leone 4WD ปี 1972 ก็ยึดตรรกะเดียวกันเป๊ะ: สร้างมาเพื่อลุยทางขรุขระ สูงกว่า Subaru แบบขับเคลื่อนล้อหน้า พร้อมเพลาหลังที่คนขับต้องต่อพ่วงด้วยมือ

Subaru Leone 4WD Station Wagon (1972–1979) เป็นการดัดแปลงจากแพลตฟอร์มขับเคลื่อนล้อหน้าให้เป็นแบบขับเคลื่อนสี่ล้อ พร้อมเพลาหลังที่ต่อพ่วงด้วยมือ ข้อมูลจำเพาะหลักได้แก่:

• ตัวเลือกเครื่องยนต์: 1.4 ลิตร (72 แรงม้า) หรือ 1.6 ลิตร (80 แรงม้า)
• รูปแบบตัวถัง: สเตชันแวกอน ซีดาน และรถกระบะ
• การต่อพ่วงระบบขับเคลื่อนล้อหลัง: แบบมือสำหรับรถเกียร์ธรรมดา; แบบอัตโนมัติผ่านคลัตช์เสียดทานแบบหลายแผ่นสำหรับรถเกียร์อัตโนมัติ
• การจัดวางแบบพาร์ตไทม์นี้ยังคงใช้อยู่ใน Subaru ขับเคลื่อนสี่ล้อทุกรุ่นจนถึงปี 1989

ปัญหาหลักของระบบขับเคลื่อนแบบพาร์ตไทม์คือมันไร้ประโยชน์บนถนนลาดยางซึ่งเป็นที่ที่รถส่วนใหญ่ใช้ชีวิตอยู่เป็นส่วนใหญ่ — แต่รถกลับต้องแบกน้ำหนักของกล่องทดกำลัง (transfer case) เพลาขับที่สองและชุดเพลาพิเศษทั้งชุดไปทุกที่ที่มันไป การแปลงระบบพาร์ตไทม์ให้เป็นแบบฟูลไทม์ต้องใช้ชิ้นส่วนเพิ่มเพียงชิ้นเดียวเท่านั้น: เฟืองท้ายกลาง (inter-axle differential) ภายในกล่องทดกำลัง

ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อแบบฟูลไทม์: ทำงานอย่างไรและทำไมจึงสำคัญ

เฟืองท้ายสามชุด หลักการเดียว

เฟืองท้ายกลางคือกุญแจสำคัญของระบบขับเคลื่อนสี่ล้อถาวร เฟืองท้ายระหว่างล้อสองชุดช่วยให้ล้อซ้ายและขวาของแต่ละเพลาหมุนด้วยความเร็วต่างกันเมื่อผ่านโค้ง เฟืองท้ายกลางทำหน้าที่เดียวกันระหว่างเพลาหน้าและเพลาหลัง รถที่มีครบทั้งสามชุดสามารถใช้ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อถาวรบนพื้นผิวใดก็ได้โดยไม่ทำให้ระบบส่งกำลังติดขัดหรือลดทอนการควบคุมรถ

ฟังดูง่ายพอในทางทฤษฎี — แต่กระทั่งช่วงต้นทศวรรษ 1980 อุตสาหกรรมยังมองว่าระบบขับเคลื่อนสี่ล้อแบบฟูลไทม์ไม่จำเป็นสำหรับรถใช้บนถนน ความเชื่อที่ยึดถือกันคือการหมุนล้ออีกคู่หนึ่งและทุกสิ่งที่ต่ออยู่กับมันบนถนนลาดยางแห้งมีแต่จะเพิ่มเสียงดังและการสิ้นเปลืองน้ำมัน

What the Quattro Proved

Audi Quattro เปลี่ยนความคิดนั้นไปอย่างสิ้นเชิง ด้วยการกระจายแรงบิดของเครื่องยนต์ไปยังล้อทั้งสี่ตลอดเวลา ระบบฟูลไทม์:

• เหลือขอบเขตการยึดเกาะไว้มากขึ้นสำหรับรับมือแรงด้านข้างในโค้ง
• ปรับปรุงเสถียรภาพอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเร่งหรือเบรกกลางโค้ง
• ลดความเสี่ยงของอาการท้ายปัด (oversteer) หรือหน้าดื้อ (understeer) กะทันหันที่เกิดจากการเหยียบคันเร่ง

Audi 80 Quattro ปลายทศวรรษ 1980 แสดงให้เห็นว่าการจัดวางนี้ได้รับการขัดเกลาเพียงใด สถาปัตยกรรม Quattro กะทัดรัดกว่าระบบส่งกำลัง Ferguson Formula ของคู่แข่ง ตั้งแต่ปี 1984 Audi ติดตั้งเฟืองท้ายแบบล็อกตัวเอง Torsen — อุปกรณ์เชิงกลล้วน ๆ ที่ตอบสนองต่อแรงบิดบนเพลาส่งกำลังแต่ละเพลาแทนที่จะตอบสนองต่อความแตกต่างของความเร็วล้อ ต่างจากวิสโค-คัปเปลอร์ Torsen จะล็อกเฉพาะเมื่อมีแรงขับเท่านั้น ไม่เคยล็อกขณะเบรก ซึ่งทำให้มันเข้ากันได้อย่างสมบูรณ์กับ ABS และนิ่งกว่าในระหว่างการชะลอความเร็ว

ควรกล่าวไว้ว่า Range Rover (1970) และ Lada Niva สัญชาติรัสเซีย (1976) โดยทั่วไปได้รับการยกย่องว่าเป็นยานยนต์ที่ผลิตจำนวนมากคันแรกที่มีเฟืองท้ายกลาง — แต่ทั้งคู่เป็นรถออฟโรดอย่างแท้จริง คำกล่าวอ้างของ Audi Quattro คือการเป็นคันแรกในบรรดารถยนต์นั่งโดยเฉพาะ

รถแข่งขับเคลื่อนสี่ล้อยุคแรก: จาก Spyker ถึง Bugatti

นักออกแบบรถแข่งเคยสำรวจระบบขับเคลื่อนสี่ล้อแบบฟูลไทม์ก่อนยุค Quattro หรือไม่? ใช่อย่างหนักแน่น — และเรื่องราวย้อนกลับไปไกลกว่าที่คนส่วนใหญ่คาดคิดมาก

Porsche’s Four-Wheel-Drive Experiments

โครงการแรกหลังสงครามของ Ferdinand Porsche คือรถแข่งขับเคลื่อนสี่ล้อ: Cisitalia 360 เครื่องยนต์วางกลาง พร้อมเครื่องยนต์สิบสองสูบขนาด 1.5 ลิตร อย่างไรก็ตาม ระบบขับเคลื่อนล้อหน้าของมันเป็นแบบพาร์ตไทม์ — คนขับต่อพ่วงมันในทางตรงและสลับกลับไปใช้ระบบขับเคลื่อนล้อหลังก่อนถึงโค้ง

อันที่จริง Porsche ได้สร้างยานยนต์ขับเคลื่อนสี่ล้อมาก่อนหน้านั้นมาก: รถยนต์ไฟฟ้าที่มีมอเตอร์ประจำล้อแยกกันสี่ตัว ย้อนไปตั้งแต่ปี 1900

The Spyker 60 HP, 1902

สิ่งที่สร้างความตกตะลึงอย่างแท้จริงแก่นักประวัติศาสตร์ยานยนต์คือรถแข่งปี 1902 ที่สร้างโดยผู้ผลิตชาวดัตช์ Spyker ในยุคที่แม้แต่เบรกยังติดตั้งเฉพาะที่ล้อหลัง รถคันนี้กลับมีระบบขับเคลื่อนสี่ล้อแบบฟูลไทม์ที่แท้จริง รวมถึงเฟืองท้ายกลางด้วย

Spyker ก่อตั้งขึ้นในปี 1880 โดยพี่น้องตระกูล Spijker ในฐานะผู้ผลิตรถม้า รถคันแรกของพวกเขาปรากฏขึ้นในปี 1900 และสองปีต่อมา ด้วยการทำงานร่วมกับนักออกแบบชาวเบลเยียม Joseph Valentin Laviolette พวกเขาผลิตรถแข่งขับเคลื่อนสี่ล้อ Spyker 60 HP (1902–1907) ข้อมูลจำเพาะของมันช่างพิเศษเกินยุคสมัย:

• เฟืองท้ายสามชุด — เฟืองท้ายกลางและเฟืองท้ายระหว่างล้อทั้งสองชุด
• กลไกเบรกแยกกันสามชุด — สองชุดที่ล้อหลัง หนึ่งชุดที่เพลาขับหน้า
• ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อที่ไม่มีใครเทียบได้ในเชิงแนวคิดไปอีกหลายทศวรรษ

แนวคิดระบบขับเคลื่อนสี่ล้อแบบฟูลไทม์จึงมีอายุกว่าหนึ่งศตวรรษแล้ว Spyker ขับเคลื่อนสี่ล้อถูกสร้างขึ้นไม่มากนัก — มันมีราคาแพงมหาศาลและไม่เคยประสบความสำเร็จมากนักในการแข่งขัน มีอีกสองโครงการที่ทะเยอทะยานกว่าตามมาในช่วงต้นทศวรรษ 1930

Bugatti Tipo 53 and Miller FWD

Bugatti Tipo 53 เริ่มต้นขึ้นจากวิศวกรของ Fiat ชื่อ Antonio Pichetto ผู้เสนอแนวคิดนี้แก่ Ettore Bugatti ในปี 1930 รถสามคันสร้างเสร็จในปี 1932 แต่ละคันมี:

• เครื่องยนต์แปดสูบเรียงพร้อมซูเปอร์ชาร์จ 300 แรงม้า
• ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อแบบฟูลไทม์พร้อมเฟืองท้ายสามชุด
• กล่องทดกำลังและเฟืองท้ายกลางที่รวมเข้ากับชุดเกียร์ซึ่งติดตั้งแยกต่างหาก
• เพลาขับสำหรับทั้งสองเพลาวางอยู่ทางด้านซ้ายของรถ
• ระบบกันสะเทือนหน้าแบบอิสระบนสปริงวางขวาง — ซึ่งไม่ธรรมดาสำหรับ Bugatti

Tipo 53 แล่นแซงรถขับเคลื่อนล้อหลังร่วมสมัยในโค้งกรวด แต่พวงมาลัยหนักอย่างน่าตกใจ: เพลาขับหน้าใช้ข้อต่อคาร์ดาน (Cardan joint) ธรรมดาแทนที่จะเป็นข้อต่อความเร็วคงที่ (constant-velocity joint) รถทั้งสามคันแข่งขันจนถึงปี 1935

Miller FWD เกิดขึ้นส่วนหนึ่งเพราะนักออกแบบชาวอเมริกัน Harry Miller ได้ศึกษา Bugatti ขับเคลื่อนล้อหน้าที่ซื้อมาเพื่อถอดชิ้นส่วนโดยเฉพาะ ด้วยแรงบันดาลใจจากสิ่งที่เขาค้นพบ Miller ได้พัฒนาแชสซีขับเคลื่อนสี่ล้อของตัวเองด้วยการสนับสนุนจากบริษัทรถบรรทุก FWD หนึ่งใน Miller ขับเคลื่อนสี่ล้อเป็นผู้นำในการแข่ง Indianapolis 500 ปี 1934 ก่อนที่ปัญหาทางกลไกจะทำให้มันตกไปอยู่อันดับที่เก้า

A Near Miss at AVUS, 1935

รถเหล่านี้ยังผูกโยงกับหนึ่งในช่วงเวลา “จะเกิดอะไรขึ้นถ้า” ที่แปลกประหลาดที่สุดในประวัติศาสตร์ยานยนต์ ระหว่างการแข่งขันที่สนาม AVUS ในกรุงเบอร์ลินในปี 1935 Miller ขับเคลื่อนสี่ล้อกำลังวิ่งอยู่อันดับที่สามเมื่อเครื่องยนต์แปดสูบเรียงของมันพังอย่างรุนแรงและสาดเศษชิ้นส่วนไปทางอัฒจันทร์ Adolf Hitler อยู่บนอัฒจันทร์ในวันนั้น หากแม้แต่เศษชิ้นส่วนเล็ก ๆ ไปถึงตัวเขา วิถีของสงครามโลกครั้งที่สอง — และของประวัติศาสตร์โลก — อาจแตกต่างไปโดยสิ้นเชิง

Ferguson Formula: ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อที่เปลี่ยนทุกสิ่ง

ปัญหาของเฟืองท้ายกลางแบบเปิด

เพื่อทำความเข้าใจบทถัดไป การย้อนกลับไปดูข้อจำกัดพื้นฐานของเฟืองท้ายกลางแบบเปิดจะช่วยได้ เฟืองท้ายแบบเปิดปล่อยให้เพลาหนึ่งหมุนได้อย่างอิสระในขณะที่อีกเพลาไม่ได้รับแรงบิดเลย หากล้อหลังสูญเสียการยึดเกาะโดยสิ้นเชิง ล้อหน้าอาจหยุดนิ่งในขณะที่ล้อหลังหมุนฟรี — และเฟืองท้ายก็ไม่ได้ทำอะไรเพื่อหยุดยั้งมันเลย

คำตอบของโลกรถ SUV คือการล็อกแบบตายตัว (positive locking): คนขับต่อพ่วงกลไกที่ล็อกเฟืองในเฟืองท้ายอย่างตายตัว เปลี่ยนการขับเคลื่อนแบบเฟืองท้ายให้เป็นการเชื่อมต่อแบบแข็ง Range Rover รุ่นแรก ๆ ใช้มัน Lada Niva และรถออฟโรดอีกหลายสิบรุ่นก็ใช้เช่นกัน — และ Audi Quattro รุ่นแรกก็ใช้ด้วย ซึ่งต้องให้คนขับล็อกเฟืองท้ายกลางด้วยมือจนถึงปี 1984 แต่การล็อกด้วยมือเป็นการประนีประนอมอีกอย่างหนึ่ง มันต้องถูกปลดออกบนพื้นแข็ง และไม่ได้ช่วยอะไรเลยหากล้อเริ่มหมุนฟรีอย่างไม่คาดคิดบนถนนลื่น

Rolt, Dixon และ Harry Ferguson

เฟืองท้ายกลางแบบล็อกตัวเองอัตโนมัติชุดแรกเป็นผลงานของนักแข่งและวิศวกรชาวอังกฤษ Tony Rolt เขาเคยดำเนินกิจการอู่ Rolt/Dixon Developments ร่วมกับ Fred Dixon เพื่อนและเพื่อนนักแข่งก่อนสงคราม หลังจากนั้นทั้งสองก็หลงใหลในสิ่งที่ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อถาวรอาจทำได้ พวกเขาสร้างแท่นทดสอบขับเคลื่อนสี่ล้อเชิงทดลองชื่อ “Crab” และในปี 1950 ได้ร่วมมือกับ Harry Ferguson — ผู้ผลิตรถแทรกเตอร์ที่ประสบความสำเร็จ — ก่อตั้ง Harry Ferguson Research

Ferguson ไม่ได้ต้องการรถแข่ง เขาต้องการรถใช้บนถนนที่ปลอดภัยอย่างแท้จริง: รถที่ล้อจะไม่หมุนฟรีขณะเร่งและไม่ล็อกขณะเบรก Rolt และ Dixon ลงมือออกแบบมันขึ้นมาจากศูนย์ — ทั้งตัวถัง ระบบส่งกำลังและระบบขับเคลื่อน — โดยมีนักออกแบบผู้มากประสบการณ์ Claude Hill อดีตวิศวกรของ Aston Martin เป็นหัวหน้าวิศวกร รถซีดานเชิงทดลอง Ferguson R4 สร้างเสร็จหลังจากการทำงานหกปี และข้อมูลจำเพาะของมันน่าทึ่งสำหรับปี 1956:

• ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อถาวรพร้อมเฟืองท้ายกลางแบบล็อกตัวเอง
• A flat-four engine
• เบรกดิสก์ทั้งสี่ล้อ
• ระบบเบรกป้องกันล้อล็อกแบบไฟฟ้าเชิงกล Dunlop MaxaRet ซึ่งดัดแปลงมาจากการบิน

ภายในกล่องทดกำลังของ Ferguson Formula

หัวใจของระบบส่งกำลัง Ferguson Formula คือกลไกล็อกตัวเองอันชาญฉลาดภายในกล่องทดกำลัง นอกจากเฟืองท้ายแล้ว ชุดนี้ยังมีชุดเฟืองพิเศษ คลัตช์ทางเดียวแบบลูกปืน (ball overrunning clutch) สองชุด และแผ่นเสียดทานสองชุด ในการทำงานปกติ ชิ้นส่วนเหล่านี้จะหมุนเบา ๆ อย่างเงียบ ๆ แต่ทันทีที่ล้อของเพลาหนึ่งเริ่มลื่นไถล — ก่อให้เกิดความแตกต่างของความเร็วเพลาส่งกำลัง — คลัตช์ตัวหนึ่งจะทำงาน บีบชุดแผ่นเสียดทานเข้ากับเฟืองของเฟืองท้ายและเปลี่ยนการขับเคลื่อนแบบเฟืองท้ายให้เป็นการเชื่อมต่อแบบแข็งในทันที

ต้นแบบคันที่สอง Ferguson R5 estate ปี 1962 ยิ่งดีกว่าเดิม ผู้ทดสอบของ Autocar ตั้งข้อสังเกตว่ามันไปถึงขีดจำกัดของการยึดเกาะที่ความเร็วซึ่งดูเหมือนแทบจะเป็นไปไม่ได้ ถึงกระนั้น ก็ไม่มีผู้ผลิตรายใดยอมนำ Ferguson เข้าสู่สายการผลิต ทั้งความซับซ้อนและต้นทุนสูงเกินไป

The Jensen FF Goes on Sale

ในปี 1962 Tony Rolt โน้มน้าวฝ่ายบริหารของ Jensen Cars ให้ดัดแปลงระบบส่งกำลัง Ferguson Formula สำหรับรถคูเป้ CV8 ที่กำลังจะมาถึงและเครื่องยนต์ Chrysler V8 300 แรงม้าของมัน สามปีต่อมา Jensen CV8 FF ขับเคลื่อนสี่ล้อเชิงทดลองก็แล่นได้

ในปี 1966 Jensen Interceptor เข้ามาแทนที่ CV8 และควบคู่ไปกับรถคูเป้ขับเคลื่อนล้อหลังรุ่นมาตรฐาน Jensen ได้เสนอรุ่นขับเคลื่อนสี่ล้อที่ติดตราสัญลักษณ์ “FF” อย่างเรียบ ๆ — ย่อมาจาก “Formula Ferguson” Jensen FF กลายเป็นรถที่ผลิตจำหน่ายคันแรกของโลกที่ผสานเฟืองท้ายกลางแบบล็อกตัวเองเข้ากับ ABS ข้อมูลจำเพาะหลักได้แก่:

• เครื่องยนต์ Chrysler V8 บิ๊กบล็อกขนาด 6.3 ลิตร ให้กำลัง 325 แรงม้า
• เกียร์อัตโนมัติ TorqueFlite สามจังหวะ หรือเกียร์ธรรมดาสี่จังหวะ
• การแบ่งแรงบิดแบบอสมมาตร: 63% ไปยังเพลาหลัง 37% ไปยังเพลาหน้า — เพื่อรักษาบุคลิกการควบคุมแบบขับเคลื่อนล้อหลัง
• ระบบ ABS Dunlop MaxaRet แบบช่องสัญญาณเดียว
• พวงมาลัยเพาเวอร์แบบแร็คแอนด์พิเนียนและเบรกดิสก์รอบคัน
• ความเร็วสูงสุด 212 km/h; 0–100 km/h ใน 7.7 วินาที; น้ำหนักตัวรถประมาณ 1,800 kg
• ราคาในสหราชอาณาจักรปี 1968: ประมาณ £6,000 — ใกล้เคียงกับ Rolls-Royce ที่ถูกที่สุด
• Total production: 318 cars (1966–1971)

นักข่าวสายยานยนต์ทุกคนในยุคนั้นต่างชื่นชมเสถียรภาพของ Jensen FF และสิ่งที่พวกเขาบรรยายว่าเป็น “ขอบเขตการยึดเกาะที่แทบไม่จำกัดบนยางมะตอยเปียก” Harry Ferguson ไม่เคยได้เห็นรถคันนี้: เขาเสียชีวิตในปี 1960

ทำไม Ferguson Formula จึงสำคัญ

ทำไมจึงใช้เวลากับ Ferguson Formula นานขนาดนี้? เพราะ Harry Ferguson Research เป็นองค์กรแรกในโลกที่มองระบบขับเคลื่อนสี่ล้อในฐานะเครื่องมือด้านความปลอดภัยเชิงรุกเป็นหลัก มากกว่าที่จะเป็นคำตอบสำหรับการยึดเกาะแบบออฟโรด

การแบ่งแรงบิดแบบอสมมาตรเป็นการเคลื่อนไหวโดยเจตนาเพื่อต่อต้านความคาดเดาไม่ได้ซึ่งรบกวนระบบแบบสมมาตร ถ้าเหยียบคันเร่งรถขับเคลื่อนล้อหลังมากเกินไปในโค้งลื่น มันจะท้ายปัดอย่างคาดเดาได้ ทำแบบเดียวกันในรถขับเคลื่อนล้อหน้า มันจะหน้าดื้ออย่างคาดเดาได้ แต่ทำแบบเดียวกันในรถขับเคลื่อนสี่ล้อแบบสมมาตร คำตอบขึ้นอยู่กับว่าเพลาใดบังเอิญมีการยึดเกาะที่แย่กว่า — ซึ่งคลุมเครือและอันตราย ด้วยการเอนแรงบิดไปทางด้านหลัง Ferguson Formula ทำให้ Jensen FF มีพฤติกรรมใกล้เคียงกับรถขับเคลื่อนล้อหลังในสภาพส่วนใหญ่

การประดิษฐ์วิสโค-คัปเปลอร์

กลไก Ferguson มีข้อจำกัดที่แท้จริงอยู่หนึ่งอย่าง: คลัตช์ทางเดียวของมันทำงานแบบไบนารี เปิด-ปิด การกระโดดจากเฟืองท้ายแบบเปิดไปสู่การล็อกเต็มที่เกิดขึ้นในทันที และนั่นอาจสร้างความคลุมเครือขึ้นเองในช่วงเวลาที่คลัตช์ทำงาน สิ่งที่ต้องการคือกลไกที่สามารถปรับระดับการล็อกได้อย่างนุ่มนวล

ในช่วงปลายทศวรรษ 1960 Tony Rolt และ Derek Gardner — ผู้ที่ต่อมาเป็นหัวหน้านักออกแบบรถ Formula 1 ของ Tyrrell — เริ่มทดลองกับของเหลวซิลิโคนที่ใช้ในชุดขับพัดลมแบบหนืด ผลลัพธ์คือวิสโค-คัปเปลอร์: เรือนทรงกระบอกที่บรรจุของเหลวซิลิโคน ภายในมีแผ่นเสียดทานสลับกันเป็นชุดที่เชื่อมต่อกับเพลาส่งกำลังแต่ละเพลา

How a Visco-Coupler Works

• ในสภาพปกติ เมื่อล้อทุกล้อหมุนด้วยความเร็วใกล้เคียงกัน ชุดแผ่นแทบไม่เคลื่อนที่สัมพัทธ์ต่อกัน และคัปเปลอร์ก็ไม่มีผลต่อเฟืองท้าย
• เมื่อเพลาหนึ่งเริ่มลื่นไถล เพลาส่งกำลังของมันจะหมุนเร็วขึ้น ทำให้ชุดแผ่นหมุนสัมพัทธ์ต่อกันและเฉือนของเหลวซิลิโคน
• การเฉือนนี้เพิ่มอุณหภูมิและความดันภายในคัปเปลอร์ ทำให้ความหนืดของของเหลวสูงขึ้นอย่างมาก
• ความหนืดที่เพิ่มขึ้นนี้ทำให้แผ่นเสียดสีกันเอง ค่อย ๆ หน่วงเพลาที่หมุนเร็วกว่าและล็อกเฟืองท้ายบางส่วนหรือทั้งหมด

FF Developments และ AMC Eagle

หลังจากจดสิทธิบัตรวิสโค-คัปเปลอร์แล้ว Tony Rolt ก่อตั้ง FF Developments (FFD) ในปี 1971 เพื่อจำหน่ายระบบส่งกำลังขับเคลื่อนสี่ล้อในเชิงพาณิชย์ งานในช่วงแรกไม่ได้หวือหวานัก: รถตู้ Bedford ขับเคลื่อนสี่ล้อสำหรับหน่วยงานป่าไม้ของอังกฤษ รถตำรวจ Ford Zephyr FF จำนวนหนึ่งล็อต รถซีดาน Opel Senator 4×4 สำหรับคณะทหารอังกฤษในกรุงเบอร์ลิน

งานผลิตที่สำคัญที่สุดของ FFD คือระบบส่งกำลังของ AMC Eagle (1979–1988) — รุ่นขับเคลื่อนสี่ล้อที่ยกสูงของรถซีดาน AMC Concord บนยางที่ใหญ่ขึ้น พร้อมการยกตัวถังขึ้น 75 mm Eagle เป็นรถที่ผลิตจำหน่ายคันแรกที่ไหน ๆ ก็ตามที่ล็อกเฟืองท้ายกลางด้วยวิสโค-คัปเปลอร์ มันถูกออกแบบมาให้เป็นรถออฟโรดแบบอ่อน ๆ มากกว่าจะเป็นรถสมรรถนะสูง กระนั้นสถาปัตยกรรมระบบส่งกำลังของมันก็เป็นบรรพบุรุษโดยตรงของรถขับเคลื่อนสี่ล้อความเร็วสูงที่โด่งดังที่สุดบางรุ่นเท่าที่เคยสร้างมา รวมถึง Subaru Impreza WRX รุ่นแรก ๆ และ Mitsubishi Lancer Evolution

เฟืองท้ายแบบล็อกตัวเอง: จาก Torsen สู่การควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์

Audi’s Packaging Trick

เมื่อ Audi Quattro เข้าสู่สายการผลิตในปี 1981 — สองปีหลังจาก AMC Eagle — มันใช้เฟืองท้ายกลางแบบเปิดทั่วไปพร้อมการล็อกแบบตายตัวด้วยมือ ความงดงามของทางออกที่ Audi เลือกอยู่ที่การจัดวางชิ้นส่วน เครื่องยนต์วางตามยาวชี้ตรงไปยังเพลาหลัง และเฟืองท้ายกลางเข้าสู่ชุดเกียร์โดยตรง: เพลารองถูกทำให้กลวงและเพลาขับหน้าถูกเดินสายผ่านเข้าไป ทีมของ Ferdinand Piëch เลือกการแบ่งแบบสมมาตร 50:50 ระหว่างเพลาหน้าและเพลาหลัง

The Torsen Differential

ในปี 1984 คันโยกล็อกด้วยมือหายไปจากห้องโดยสารของ Audi ในที่สุด ถูกแทนที่ด้วยเฟืองท้ายแบบล็อกตัวเอง Torsen — TORque SENsing (การรับรู้แรงบิด) ข้อดีของมันควรค่าแก่การระบุ:

• มันเป็นเชิงกลล้วน ๆ — ไม่ต้องใช้อิเล็กทรอนิกส์ ของเหลว หรือการควบคุมจากคนขับ
• มันตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของแรงบิดบนเพลาส่งกำลังแทนที่จะตอบสนองต่อความแตกต่างของความเร็ว ซึ่งหมายความว่ามันสามารถตอบสนองได้ก่อนที่ล้อจะเริ่มหมุนฟรีจริง ๆ
• ต่างจากวิสโค-คัปเปลอร์ มันล็อกเฉพาะเมื่อมีแรงขับเท่านั้น ไม่ล็อกขณะเบรก ทำให้เข้ากันได้อย่างสมบูรณ์กับ ABS
• การล็อกและปลดล็อกเป็นไปอย่างนุ่มนวลและต่อเนื่อง โดยไม่มีการเปลี่ยนสถานะแบบไบนารี

หลังจากพิสูจน์ตัวเองในรถความเร็วสูง Torsen ก็ถูกวิศวกรรถ SUV ที่ไล่ตามการควบคุมแบบรถเก๋งนำมาใช้ ปัจจุบันมันถูกใช้ใน Range Rover, Volkswagen Touareg, Porsche Cayenne และ Toyota Land Cruiser Prado

Group B และการแข่งขันสั่งสมอาวุธในวงการแรลลี

ย้อนกลับไปในทศวรรษ 1980 การครองความเป็นเจ้าในวงการแรลลีของ Quattro จุดชนวนการแข่งขันสั่งสมอาวุธด้านระบบขับเคลื่อนสี่ล้อ ภายในไม่กี่ฤดูกาล รถแรลลีขับเคลื่อนสี่ล้อเหล่านี้ก็ปรากฏขึ้นทั้งหมด แต่ละคันใช้เทคโนโลยีวิสโค-คัปเปลอร์ของ FFD ในเฟืองท้ายแบบล็อกตัวเอง:

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

Stuart Rolt ลูกชายของ Tony ดูแลความสัมพันธ์ของ FFD กับทีมแรลลีในช่วงหลายปีเหล่านั้น

ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 โรงงาน AZLK ในรัสเซียก็มาหา FFD เช่นกัน โดยต้องการรถแรลลีขับเคลื่อนสี่ล้อรุ่นหนึ่งของ Moskvitch 2141 รถเชิงทดลองซึ่งสร้างขึ้นบนพื้นฐานการจัดวางเฟืองท้ายสามชุดแบบเดียวกับ Ford RS200 ควบคุมได้อย่างคาดเดาได้อย่างน่าทึ่งในสภาพสุดขั้ว การทดสอบเผยให้เห็นหลักการที่ยังคงเป็นจริงจนทุกวันนี้: ปรับความแข็งในการล็อกของวิสโค-คัปเปลอร์แต่ละตัวแยกกัน แล้วสมดุลของรถก็จะเปลี่ยนไปตามนั้น

• เฟืองท้ายระหว่างล้อหลังแข็งขึ้น → มีแนวโน้มท้ายปัดมากขึ้น
• เฟืองท้ายหน้าหรือเฟืองท้ายกลางแข็งขึ้น → หน้าดื้อมากขึ้นและมีเสถียรภาพมากขึ้น

Electronic Control Arrives

ความสามารถในการปรับจูนนั้นเองคือเหตุผลว่าทำไมรถ WRC สมัยใหม่จึงใช้ชุดคลัตช์แบบหลายแผ่นที่ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์แทนวิสโค-คัปเปลอร์แบบพาสซีฟในเฟืองท้ายทั้งสามชุด ตัวขับเคลื่อนไฮดรอลิกและคอมพิวเตอร์บนรถปรับการล็อกของเฟืองท้ายแต่ละชุดแบบเรียลไทม์ — ปล่อยคลัตช์ตอนเข้าโค้งเพื่อให้รถหมุนตัวได้อย่างอิสระ แล้วค่อย ๆ บีบคลัตช์เมื่อคนขับเร่งออกสู่ทางตรง เพื่อการยึดเกาะสูงสุดโดยไม่มีอาการหน้าดื้อ

ผู้ผลิตสองรายเป็นผู้บุกเบิกเฟืองท้ายที่ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์ในรถใช้บนถนน:

• Mercedes-Benz 4Matic (1986, W124 E-Class): คลัตช์ที่ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์สามชุดจะต่อพ่วงเพลาหน้าตามลำดับ จากนั้นล็อกเฟืองท้ายกลาง แล้วจึงล็อกเฟืองท้ายหลังตามที่สภาพต้องการ ระบบนี้มีประสิทธิภาพแต่ซับซ้อนเกินไป และอิเล็กทรอนิกส์อาจทำให้ล้อหน้าต่อและปลดอย่างสังเกตได้ชัดบนพื้นผิวหลวม
• Porsche 959 (1986): คลัตช์ที่ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์สองชุดทำงานผ่านโหมดการขับที่เลือกได้สี่โหมด ระบบของ 959 มีความซับซ้อนล้ำหน้ากว่าและเหมาะกับการใช้งานสมรรถนะสูงมากกว่า

การแทนที่เฟืองท้าย: Haldex และระบบขับเคลื่อนสี่ล้อแบบเรียบง่าย

The Visco-Coupler on Its Own

ในขณะที่วิศวกรแรลลีผลักดันเฟืองท้ายแบบล็อกตัวเองไปให้ไกลที่สุดเท่าที่จะทำได้ นักออกแบบรถยนต์นั่งทั่วไปกลับไปในทางตรงกันข้าม — ตัดเฟืองท้ายกลางออกไปทั้งหมดและใส่วิสโค-คัปเปลอร์เข้าไปแทนที่ Volkswagen Golf II Syncro ปี 1985 เป็นรถยนต์นั่งยุโรปคันแรกที่ทำเช่นนั้น ด้วยระบบส่งกำลังที่พัฒนาโดยวิศวกรจาก GKN ซึ่งเข้าซื้อ FFD ในปี 1969

สำหรับการผลิตจำนวนมาก การทำให้เรียบง่ายขึ้นนั้นคุ้มค่า:

• รุ่นขับเคลื่อนสี่ล้อใช้ชิ้นส่วนส่วนใหญ่ร่วมกับรุ่นขับเคลื่อนล้อหน้ามาตรฐาน ช่วยลดต้นทุนและความซับซ้อนในการผลิต
• ในสภาพปกติ รถขับขี่ได้เหมือนกับรถขับเคลื่อนล้อหน้าทุกประการ
• เมื่อล้อหน้าลื่นไถล วิสโค-คัปเปลอร์สามารถถ่ายโอนแรงบิดได้ถึง 70% ไปยังด้านหลังภายในเวลาประมาณ 0.2 วินาที

อย่างไรก็ตาม ความล่าช้านี้สร้างจุดอ่อนด้านการควบคุม รถที่มีพฤติกรรมเหมือนรถขับเคลื่อนล้อหน้า ที่ดื้อออกด้านหน้า อาจเปลี่ยนไปสู่พฤติกรรมที่เอนไปทางด้านหลังอย่างกะทันหันในทันทีที่คัปเปลอร์ทำงาน — และเล่นงานคนขับเอาได้ ผู้ผลิตญี่ปุ่นลองหาคำตอบต่าง ๆ รวมถึงการใส่คัปเปลอร์เพิ่ม: Nissan Sunny/Pulsar ปี 1988 ใช้ถึงสามตัว ตัวหนึ่งเพื่อต่อพ่วงระบบขับเคลื่อนล้อหลังและอีกตัวเพื่อล็อกเฟืองท้ายระหว่างล้อแต่ละชุด Mazda Concerto 4WD ไปไกลกว่านั้นอีก โดยแทนที่ทั้งเฟืองท้ายกลางและเฟืองท้ายระหว่างล้อหลังด้วยวิสโค-คัปเปลอร์

The Haldex Clutch

ขั้นต่อไปแทนที่วิสโค-คัปเปลอร์ด้วยคลัตช์ไฮดรอลิกแบบหลายแผ่นที่ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์ — เร็วกว่ามากและควบคุมได้แม่นยำกว่ามาก ตัวอย่างที่รู้จักกันดีที่สุดคือคัปปลิง Haldex ซึ่งเข้ามาแทนที่วิสโค-คัปเปลอร์ใน Volkswagen Golf IV และรถในเครือแพลตฟอร์มเดียวกัน มันทำงานอย่างนี้:

• ลูกเบี้ยวหน้า (face cam) ตรวจจับความแตกต่างของความเร็วรอบระหว่างเพลาหน้าและเพลาหลัง
• ลูกกลิ้งที่เลื่อนไปบนผิวลูกเบี้ยวดันลูกสูบในกระบอกสูบวงแหวน ปั๊มของเหลวไฮดรอลิก
• แรงดันของเหลวบีบอัดชุดคลัตช์แบบหลายแผ่น ถ่ายโอนแรงบิดไปยังเพลาหลัง
• วาล์วโซลินอยด์ซึ่งควบคุมด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ของรถ สามารถปล่อยแรงดันได้ที่จุดใดก็ได้ — เปิดโอกาสให้กระจายแรงบิดได้อย่างต่อเนื่องไม่จำกัด

รถขับเคลื่อนสี่ล้อและครอสโอเวอร์ส่วนใหญ่ที่วางจำหน่ายในปัจจุบันใช้คลัตช์ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์นี้ในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง ไม่ว่าจะเป็น Haldex ในรถของ Volkswagen Group, VTM-4 ของ Honda หรือ xDrive ของ BMW คลัตช์สมัยใหม่ทำงานได้รวดเร็วพอจนความล่าช้าในการต่อพ่วงกลายเป็นสิ่งที่สังเกตไม่ได้ในการขับขี่ทั่วไป และการปรับตั้ง (calibration) ในตอนนี้สำคัญกว่าตัวฮาร์ดแวร์: Golf 4Motion และ Audi A3 Quattro ใช้ระบบส่งกำลังที่เหมือนกันในเชิงกล แต่ซอฟต์แวร์ที่ต่างกันทำให้ Volkswagen มีการแบ่งแบบสมมาตร ในขณะที่ Audi ส่งแรงบิด 60% ไปด้านหน้าเพื่อบุคลิกแบบขับเคลื่อนล้อหน้าที่คุ้นเคยกว่า

เทคโนโลยีขับเคลื่อนสี่ล้อในปัจจุบัน: ระบบใดดีที่สุด?

ระบบพาร์ตไทม์ที่ต้องต่อพ่วงเพลาที่สองด้วยมือได้หายไปจากรถยนต์นั่งอย่างน่ายินดี สิ่งที่ยังเหลืออยู่แบ่งออกเป็นสามตระกูล แต่ละตระกูลมีข้อดีของตัวเอง:

• ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อแบบฟูลไทม์พร้อมเฟืองท้ายกลางแบบล็อกตัวเอง (วิสโค-คัปเปลอร์อย่างใน Subaru, Torsen เชิงกลอย่างใน Audi A4/A6/A8 Quattro และ Volkswagen Phaeton หรือคลัตช์ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์อย่างใน Mitsubishi Lancer Evo): เป็นระบบที่ซับซ้อนล้ำหน้าและให้ความคุ้มค่าที่สุด สามารถปรับปรุงการควบคุมรถได้อย่างแท้จริงทั้งบนถนนและในสนามเมื่อปรับตั้งอย่างเหมาะสม
• ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อแบบฟูลไทม์พร้อมเฟืองท้ายกลางแบบเปิด (อย่างใน Mercedes-Benz 4Matic): อาศัยอิเล็กทรอนิกส์ป้องกันการลื่นไถลเพื่อชดเชยการไม่มีการล็อกตัวเอง มีประสิทธิภาพบนถนน แต่ในเชิงกลนั้นทำงานเชิงรุกได้น้อยกว่า
• ระบบขับเคลื่อนล้อหลังแบบพาร์ตไทม์ผ่านคลัตช์ควบคุม (Haldex อย่างใน Volvo, Saab และครอสโอเวอร์ของ Volkswagen Group หลายรุ่น): เป็นรูปแบบที่พบมากที่สุดในครอสโอเวอร์สมัยใหม่ — คุ้มค่า เบา และมีความสามารถเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ด้วยอิเล็กทรอนิกส์ที่เร็วขึ้น

Torque Vectoring และสิ่งที่จะตามมา

แนวโน้มหลักในระบบขับเคลื่อนสี่ล้อขั้นสูงคือ torque vectoring: ไม่ใช่เพียงแบ่งแรงบิดระหว่างเพลา แต่ปรับเปลี่ยนมันอย่างแข็งขันระหว่างล้อซ้ายและขวาของเพลา Mitsubishi Lancer Evolution X คือสุดยอดแห่งเทคโนโลยี — ระบบ S-AWC ของมันจับคู่เฟืองท้ายกลางที่ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์ (ACD) เข้ากับเฟืองท้ายหลัง Active Yaw Control (AYC) ที่สามารถย้ายแรงบิดจากล้อหลังข้างหนึ่งไปยังอีกข้างหนึ่งได้ ชุดเฟืองพิเศษเปลี่ยนสมดุลในเชิงรุกก่อนที่การยึดเกาะจะสูญเสียไป แทนที่จะตอบสนองเมื่อล้อหมุนฟรีไปแล้ว

ในทางปฏิบัติ ความแตกต่างในโลกจริงระหว่างระบบสมัยใหม่ยังคงแคบลงเรื่อย ๆ เมื่ออิเล็กทรอนิกส์ควบคุมพัฒนาขึ้น ปัจจุบันครอสโอเวอร์ Haldex ที่ปรับตั้งมาอย่างดีให้เสถียรภาพที่ Torsen เชิงกลคงได้รับการยกย่องเมื่อชั่วอายุคนก่อน นั่นคือทิศทางที่เรากำลังมุ่งไป — และจุดหมายปลายทางอาจเป็นรถยนต์ไฟฟ้าที่มีมอเตอร์ประจำล้อแยกกันสี่ตัว แต่ละตัวปล่อยแรงบิดของตัวเองออกมาโดยไม่มีระบบส่งกำลังเชิงกลเลย ซึ่งนำเรื่องราวย้อนกลับมาสู่รถยนต์ไฟฟ้าขับเคลื่อนสี่ล้อปี 1900 ของ Ferdinand Porsche ได้อย่างลงตัว

นี่คือคำแปล อ่านต้นฉบับได้ที่นี่: https://www.drive.ru/technic/4efb336400f11713001e4f54.html