ระบบขับเคลื่อนสี่ล้ออธิบาย: ประวัติศาสตร์ เทคโนโลยี และหลักการทำงานของระบบ AWD

บทความนี้เริ่มต้นในฐานะคู่มือทางเทคนิคที่ตรงไปตรงมา — คล้ายกับ “ทุกสิ่งที่คุณอยากรู้เกี่ยวกับระบบขับเคลื่อนสี่ล้อ แต่ไม่รู้จะถามใคร” เราวางแผนจะอธิบายความแตกต่างระหว่างดิฟเฟอเรนเชียลแบบเปิดกับชุด visco-coupler หรือ Haldex ว่าดิฟเฟอเรนเชียลแบบล็อกตัวเองทำงานอย่างไร และทำไมสิ่งเหล่านี้จึงสำคัญ แต่ยิ่งเราค้นลึกลงในประวัติศาสตร์ เราก็ยิ่งประหลาดใจมากขึ้น ปรากฏว่ารถยนต์นั่งคันแรกที่มีระบบขับเคลื่อนสี่ล้อถาวรถูกสร้างขึ้นในประเทศเนเธอร์แลนด์เมื่อกว่าร้อยปีก่อน และในปี ค.ศ. 1935 รถแข่งอเมริกันขับเคลื่อนสี่ล้อเกือบจะเปลี่ยนแปลงเส้นทางของประวัติศาสตร์โลกอย่างน่าอัศจรรย์

ทำไมรถยนต์นั่งจึงต้องการระบบขับเคลื่อนสี่ล้อ? ในศตวรรษที่ 21 คำตอบดูเหมือนชัดเจน: แรงยึดเกาะที่ดีกว่า การลื่นไถลของล้อน้อยลงบนพื้นผิวลื่น และการควบคุมที่ดีขึ้นเมื่อเร่งเครื่อง ล้อขับเคลื่อนสี่ล้อนั้นดีกว่าสองล้ออย่างเรียบง่าย แต่มนุษยชาติใช้เวลานานอย่างน่าประหลาดใจกว่าจะลงมือปฏิบัติตามความจริงพื้นฐานนี้ ถามนักประวัติศาสตร์ยานยนต์คนใดก็ได้ แล้วพวกเขาจะบอกคุณว่ายุค AWD สำหรับรถยนต์นั่งตลาดมวลชนเริ่มต้นในปี ค.ศ. 1980 ด้วย Audi Quattro พวกเขาอาจกล่าวถึงรถรุ่นก่อนหน้าที่หายาก — รถยนต์สปอร์ตอังกฤษ Jensen FF ปี ค.ศ. 1966 และ Subaru Leone 4WD ปี ค.ศ. 1972 อย่างไรก็ตาม ผู้เชี่ยวชาญตัวจริงจะสังเกตอย่างรวดเร็วว่า Subaru ขับเคลื่อนสี่ล้อรุ่นแรกๆ ไม่ใช่ระบบ AWD ถาวรเลย — แต่เป็นแบบ part-time และดังที่เราจะอธิบาย นั่นเป็นความแตกต่างที่สำคัญมาก

ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อแบบ Part-Time: ทางออกชั่วคราว

การขับเคลื่อนบางส่วนบนเพลาเดียวเป็นทางออกแบบประนีประนอม และไม่ใช่ทางออกที่สง่างามนักสำหรับรถยนต์บนถนน คำว่า “Part-Time 4WD” มีต้นกำเนิดในโลกของ SUV และรถกระบะออฟโรด ในการกำหนดค่านี้ เพลาหนึ่งขับเคลื่อนอย่างถาวรขณะที่อีกเพลาหนึ่งเชื่อมต่ออย่างแข็งตามต้องการ — แต่การเชื่อมต่อแบบแข็งนี้ใช้ได้เฉพาะนอกถนนเท่านั้น บนพื้นผิวลาดยาง ระบบ part-time ต้องถูกตัดการเชื่อมต่อโดยสิ้นเชิง เหตุผลมีดังนี้:

• เมื่อรถเลี้ยว ล้อหน้าจะเคลื่อนที่เป็นส่วนโค้งที่ยาวกว่าล้อหลัง และจึงต้องหมุนเร็วกว่า
• ด้วยระบบขับเคลื่อนสี่ล้อที่เชื่อมต่ออย่างแข็ง แรงยึดเกาะที่ล้อหน้าลดลงขณะที่แรงบิดที่ล้อหลังเพิ่มขึ้น
• ในบางกรณี ล้อหน้าอาจสร้างแรงเบรกแทนที่จะเป็นแรงขับเคลื่อน — เพิ่มแรงต้านทานและทำให้บังคับเลี้ยวรถยากขึ้น
• บนพื้นผิวหลวมเช่นโคลนหรือหิมะ ผลกระทบนี้จัดการได้ แต่บนพื้นลาดยางจะทำให้เกิดการยึดติดของระบบส่งกำลังอย่างรุนแรงและปัญหาการควบคุม

เมื่อรถเลี้ยวโค้ง ล้อทุกล้อจะเดินทางตามส่วนโค้งของตัวเองและต้องหมุนด้วยความเร็วที่แตกต่างกัน นี่คือเหตุผลที่ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อถาวรต้องการดิฟเฟอเรนเชียลสามตัว: ดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างล้อสองตัว (ตัวละหนึ่งเพลา) และดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างเพลาหนึ่งตัวเพื่อให้เพลาขับทั้งสองหมุนได้อิสระจากกัน

แม้จะมีข้อเสียเหล่านี้ ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อแบบเชื่อมต่ออย่างแข็งก็ปรากฏบนยานพาหนะบางประเภทบนถนน — แม้ว่าจะมีลักษณะใกล้เคียงกับรถกระบะออฟโรดมากกว่า ในสหภาพโซเวียต เช่น GAZ-61 “Emka” — รถยนต์นั่งขับเคลื่อนสี่ล้อพร้อมเครื่องยนต์หกสูบและเพลาหน้าแบบ part-time — เริ่มผลิตในจำนวนน้อยตั้งแต่ปี ค.ศ. 1938 หลังสงคราม ระบบส่งกำลังที่คล้ายกันปรากฏใน GAZ-M72 “Pobeda” รุ่นออฟโรดและ Moskvitch-410 Subaru Leone 4WD ปี ค.ศ. 1972 ก็ใช้ตรรกะเดียวกัน: ถูกสร้างขึ้นสำหรับการใช้งานนอกถนน โดยมีความสูงจากพื้นมากกว่า Subaru ขับเคลื่อนล้อหน้ามาตรฐาน และมีเพลาหลังที่ต่อเชื่อมด้วยมือ

Subaru Leone 4WD Station Wagon (ค.ศ. 1972–1979) เป็นการดัดแปลงระบบขับเคลื่อนสี่ล้อจากแพลตฟอร์มขับเคลื่อนล้อหน้า โดยมีเพลาหลังที่เชื่อมต่อด้วยมือ ข้อมูลจำเพาะหลักได้แก่:

• ตัวเลือกเครื่องยนต์: 1.4 ลิตร (72 แรงม้า) หรือ 1.6 ลิตร (80 แรงม้า)
• สไตล์ตัวถัง: สเตชั่นแวกอน รถยนต์นั่งซาลูน และรถกระบะ
• การขับเคลื่อนล้อหลัง: แบบใช้มือบนรถเกียร์ธรรมดา; อัตโนมัติผ่านคลัตช์แบบแผ่นเสียดทานหลายแผ่นบนรถเกียร์อัตโนมัติ
• การจัดเรียงแบบ part-time นี้ยังคงใช้กับ Subaru ขับเคลื่อนสี่ล้อทุกรุ่นจนถึงปี ค.ศ. 1989

ปัญหาหลักของระบบขับเคลื่อนสี่ล้อแบบ part-time คือมันไม่มีประโยชน์บนถนนลาดยางที่รถส่วนใหญ่ใช้เวลาส่วนใหญ่ — แต่รถต้องแบกรับน้ำหนักเพิ่มของชุดถ่ายทอดกำลัง เพลาส่งกำลังที่สอง และชุดเพลาสำรองตลอดเวลา อย่างไรก็ตาม การแปลงระบบ part-time เป็น full-time ต้องการเพียงส่วนประกอบเพิ่มเติมหนึ่งชิ้น: ดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างเพลาในชุดถ่ายทอดกำลัง

ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อแบบ Full-Time: หลักการทำงานและความสำคัญ

ดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างเพลาคือกุญแจสำคัญของระบบขับเคลื่อนสี่ล้อถาวร ดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างล้อสองตัว — หนึ่งตัวที่แต่ละเพลา — อนุญาตให้ล้อซ้ายและขวาบนแต่ละเพลาหมุนด้วยความเร็วต่างกันเมื่อเลี้ยวโค้ง ดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างเพลาทำหน้าที่เดียวกันระหว่างเพลาหน้าและหลัง รถยนต์ที่ติดตั้งดิฟเฟอเรนเชียลทั้งสามตัวสามารถใช้ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อถาวรบนพื้นผิวถนนใดก็ได้โดยไม่มีการยึดติดของระบบส่งกำลังหรือผลเสียต่อการควบคุม

ง่ายในทางทฤษฎี — แต่จนถึงต้นทศวรรษ 1980 กระแสหลักของอุตสาหกรรมยานยนต์ถือว่าระบบ AWD แบบ full-time ไม่จำเป็นสำหรับรถยนต์บนถนน ความเชื่อทั่วไปคือการหมุนล้อคู่ที่สองและส่วนประกอบระบบส่งกำลังที่เกี่ยวข้องทั้งหมดบนพื้นแห้งอย่างต่อเนื่องเพิ่มเสียงรบกวนและสิ้นเปลืองน้ำมัน Audi Quattro เปลี่ยนความคิดนั้นอย่างถาวร ด้วยการกระจายแรงบิดเครื่องยนต์ไปยังล้อทั้งสี่ตลอดเวลา ระบบ AWD แบบ full-time จะ:

• เหลือขอบของแรงยึดเกาะที่ใหญ่กว่าเพื่อรับมือกับแรงด้านข้างในโค้ง
• ปรับปรุงเสถียรภาพอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเร่งหรือเบรกกลางโค้ง
• ลดความเสี่ยงของการโอเวอร์สเตียร์หรืออันเดอร์สเตียร์ที่เกิดจากการเหยียบคันเร่งอย่างฉับพลัน

Audi 80 Quattro ช่วงปลายทศวรรษ 1980 แสดงให้เห็นว่าการออกแบบนี้ได้รับการพัฒนาให้สมบูรณ์แบบเพียงใด สถาปัตยกรรม Quattro มีขนาดกะทัดรัดกว่าระบบส่งกำลัง Ferguson Formula ที่เป็นคู่แข่ง ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1984 Audi ได้นำดิฟเฟอเรนเชียลแบบล็อกตัวเอง Torsen มาใช้ — อุปกรณ์เชิงกลล้วนๆ ที่ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของแรงบิดบนเพลาส่งออกแต่ละตัวแทนที่จะเป็นความแตกต่างของความเร็วล้อ ต่างจากดิฟเฟอเรนเชียลล็อกแบบ visco-coupler Torsen จะล็อกเฉพาะภายใต้การลากจูง ไม่ใช่ระหว่างการเบรก ซึ่งหมายความว่าเข้ากันได้อย่างสมบูรณ์กับระบบ ABS และปรับปรุงเสถียรภาพระหว่างการชะลอความเร็ว

น่าสังเกตว่า Range Rover (ค.ศ. 1970) และ Lada Niva จากรัสเซีย (ค.ศ. 1976) มักถูกพิจารณาว่าเป็นยานพาหนะผลิตเชิงพาณิชย์คันแรกที่มีดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างเพลา — แต่ทั้งคู่อยู่ในหมวดหมู่ออฟโรดอย่างชัดเจน Audi Quattro อ้างสิทธิ์ตำแหน่งผู้บุกเบิกโดยเฉพาะในกลุ่มรถยนต์นั่ง

รถแข่งขับเคลื่อนสี่ล้อรุ่นแรก: จาก Spyker ถึง Bugatti

นักออกแบบรถแข่งสำรวจระบบขับเคลื่อนสี่ล้อแบบ full-time ก่อนยุค Quattro หรือไม่? คำตอบคือใช่อย่างแน่นอน — และเรื่องราวย้อนกลับไปไกลกว่าที่คนส่วนใหญ่คาดคิด

โครงการแรกหลังสงครามของ Ferdinand Porsche คือรถแข่งขับเคลื่อนสี่ล้อ: Cisitalia 360 พร้อมการจัดวางเครื่องยนต์กลางและเครื่องยนต์สิบสองสูบ 1.5 ลิตร อย่างไรก็ตาม ระบบขับเคลื่อนล้อหน้าเป็นแบบ part-time — คนขับจะต่อเชื่อมเฉพาะบนส่วนตรงของสนาม แล้วสลับกลับไปขับเคลื่อนล้อหลังก่อนเข้าโค้ง

แต่จริงๆ แล้ว Porsche ได้สร้างยานพาหนะขับเคลื่อนสี่ล้อในช่วงก่อนหน้านั้นมาก: รถยนต์ไฟฟ้าพร้อมมอเตอร์ล้อสี่ตัวแยกกัน ย้อนกลับไปถึงปี ค.ศ. 1900 สิ่งที่น่าตกใจสำหรับนักประวัติศาสตร์ยานยนต์ อย่างไรก็ตาม คือรถแข่งปี ค.ศ. 1902 ที่สร้างโดยผู้ผลิตชาวดัตช์ Spyker ในยุคที่แม้แต่เบรกก็ติดตั้งเฉพาะล้อหลัง รถคันนี้มีระบบขับเคลื่อนสี่ล้อแบบ full-time ที่แท้จริง — พร้อมดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างเพลา

บริษัท Spyker ก่อตั้งขึ้นในปี ค.ศ. 1880 โดยพี่น้อง Spijker ในฐานะผู้ผลิตรถม้า รถยนต์คันแรกของพวกเขาปรากฏในปี ค.ศ. 1900 และสองปีต่อมา โดยทำงานร่วมกับนักออกแบบชาวเบลเยียม Joseph Valentin Laviolette พวกเขาผลิตรถแข่ง Spyker 60 HP ขับเคลื่อนสี่ล้อ (ค.ศ. 1902–1907) ข้อมูลจำเพาะของมันก้าวหน้าอย่างน่าทึ่งสำหรับยุคนั้น:

• ดิฟเฟอเรนเชียลสามตัว — ระหว่างเพลาและระหว่างล้อทั้งสองเพลา
• กลไกเบรกสามแบบแยกกัน — สองแบบที่ล้อหลัง หนึ่งแบบที่เพลาส่งกำลังหน้า
• ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อที่ไม่มีใครเทียบได้ในแนวคิดมาเป็นทศวรรษ

แนวคิดระบบขับเคลื่อนสี่ล้อแบบ full-time จึงมีอายุมากกว่าหนึ่งศตวรรษ Spyker ขับเคลื่อนสี่ล้อไม่ได้ถูกสร้างมากนัก — มีราคาแพงมากและไม่เคยประสบความสำเร็จในการแข่งขันอย่างมีนัยสำคัญ โครงการแข่งขัน AWD ที่ทะเยอทะยานอีกสองโครงการตามมาในต้นทศวรรษ 1930: Bugatti Tipo 53 และ Miller FWD

โครงการ Bugatti Tipo 53 มีต้นกำเนิดจากวิศวกร Fiat Antonio Pichetto ที่เสนอแนวคิดนี้ต่อ Ettore Bugatti ในปี ค.ศ. 1930 รถสามคันสร้างเสร็จในปี ค.ศ. 1932 แต่ละคันมีคุณสมบัติดังนี้:

• เครื่องยนต์แปดสูบเรียงซูเปอร์ชาร์จ 300 แรงม้า
• ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อแบบ full-time พร้อมดิฟเฟอเรนเชียลสามตัว
• ชุดถ่ายทอดกำลังและดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างเพลาที่รวมเข้ากับเกียร์บ็อกซ์แบบแยกติดตั้ง
• เพลาส่งกำลังสำหรับทั้งสองเพลาวางอยู่ด้านซ้ายของรถ
• ระบบกันสะเทือนหน้าอิสระบนสปริงขวาง — ผิดปกติสำหรับ Bugatti

แม้จะทำความเร็วได้ดีกว่ารถขับเคลื่อนล้อหลังร่วมสมัยในโค้งกรวด Tipo 53 ประสบปัญหาแรงบังคับเลี้ยวมากเกินไปเนื่องจากการใช้ข้อต่อ Cardan มาตรฐานแทนข้อต่อความเร็วคงที่ในเพลาส่งกำลังหน้า รถทั้งสามคันแข่งขันจนถึงปี ค.ศ. 1935

Miller FWD เกิดขึ้นส่วนหนึ่งเพราะนักออกแบบชาวอเมริกัน Harry Miller ได้ศึกษา Bugatti ขับเคลื่อนล้อหน้าที่ซื้อมาเพื่อแยกชิ้นส่วนโดยเฉพาะ ได้รับแรงบันดาลใจจากแนวทางของ Bugatti Miller พัฒนาแชสซีขับเคลื่อนสี่ล้อของตัวเองโดยได้รับการสนับสนุนจากบริษัทรถบรรทุก FWD Miller ขับเคลื่อนสี่ล้อคันหนึ่งนำการแข่งขัน Indianapolis 500 ปี ค.ศ. 1934 ก่อนจะต้องถอนตัวด้วยปัญหาเชิงกลในอันดับเก้า

รถเหล่านี้ยังเชื่อมโยงกับหนึ่งในช่วงเวลา “จะเกิดอะไรขึ้นถ้า” ที่แปลกที่สุดในประวัติศาสตร์ยานยนต์ ระหว่างการแข่งขันที่สนาม AVUS ในกรุงเบอร์ลิน ประเทศเยอรมนี ในปี ค.ศ. 1935 Miller ขับเคลื่อนสี่ล้อกำลังวิ่งอยู่ในอันดับสามเมื่อเครื่องยนต์แปดสูบเรียงขัดข้องอย่างรุนแรง ส่งเศษชิ้นส่วนบินไปยังอัฒจันทร์ Adolf Hitler อยู่บนอัฒจันทร์ในวันนั้น หากแม้แต่เศษชิ้นส่วนเล็กน้อยไปถึงเขา เส้นทางของสงครามโลกครั้งที่สอง — และประวัติศาสตร์โลก — อาจแตกต่างออกไปอย่างสิ้นเชิง

Ferguson Formula: ระบบ AWD ที่เปลี่ยนทุกอย่าง

เพื่อทำความเข้าใจบทถัดไปที่สำคัญในประวัติศาสตร์ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อ จะเป็นประโยชน์ในการทบทวนข้อจำกัดพื้นฐานของดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างเพลาแบบเปิด ดิฟเฟอเรนเชียลแบบเปิดอนุญาตให้เพลาหนึ่งหมุนอย่างอิสระขณะที่อีกเพลาไม่ได้รับแรงบิด หากล้อหลังสูญเสียแรงยึดเกาะโดยสมบูรณ์ ล้อหน้าสามารถหยุดนิ่งขณะที่ล้อหลังหมุน — ดิฟเฟอเรนเชียลไม่มีอะไรป้องกันสิ่งนี้

ทางออกที่พัฒนาขึ้นสำหรับ SUV คือการล็อกแบบบวก: คนขับต่อเชื่อมกลไกด้วยมือที่ล็อกเฟืองดิฟเฟอเรนเชียลอย่างแข็ง แปลงการขับเคลื่อนดิฟเฟอเรนเชียลเป็นการเชื่อมต่อแบบแข็ง วิธีนี้ใช้ใน Range Rover รุ่นแรก Lada Niva และยานพาหนะออฟโรดอื่นๆ อีกมาก — รวมถึง Audi Quattro รุ่นแรก ซึ่งกำหนดให้คนขับล็อกดิฟเฟอเรนเชียลกลางด้วยมือจนถึงปี ค.ศ. 1984 แต่การล็อกด้วยมือเป็นการประนีประนอมอีกอย่างหนึ่ง: ต้องถอดออกบนพื้นผิวแข็ง และไม่ให้การป้องกันหากล้อเริ่มลื่นไถลอย่างไม่คาดคิดบนถนนลื่น

ดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างเพลาแบบล็อกตัวเองอัตโนมัติตัวแรกเป็นผลงานของนักแข่งรถและวิศวกรชาวอังกฤษ Tony Rolt พร้อมกับเพื่อนและนักแข่งเช่นกัน Fred Dixon Rolt ดำเนินโรงงาน Rolt/Dixon Developments ก่อนสงคราม หลังจากนั้น ทั้งสองคนหลงใหลในศักยภาพของระบบขับเคลื่อนสี่ล้อถาวร หลังจากสร้างแท่นทดสอบขับเคลื่อนสี่ล้อทดลองชื่อ “Crab” พวกเขาร่วมมือกันในปี ค.ศ. 1950 กับ Harry Ferguson — ผู้ผลิตรถแทรกเตอร์ที่ประสบความสำเร็จ — เพื่อก่อตั้ง Harry Ferguson Research

วิสัยทัศน์ของ Ferguson ไม่ใช่รถแข่งแต่เป็นรถยนต์บนถนนที่ปลอดภัยอย่างแท้จริง: รถที่ล้อจะไม่ลื่นไถลภายใต้การเร่งและไม่ล็อกภายใต้การเบรก Rolt และ Dixon ตัดสินใจออกแบบรถดังกล่าวตั้งแต่ต้น — รวมถึงตัวถัง ระบบส่งกำลัง และระบบขับเคลื่อน โดยมีนักออกแบบผู้มีประสบการณ์ Claude Hill (อดีต Aston Martin) รับหน้าที่เป็นวิศวกรหัวหน้า รถซาลูนทดลอง Ferguson R4 เสร็จสมบูรณ์หลังการพัฒนาหกปี ข้อมูลจำเพาะของมันน่าทึ่งสำหรับปี ค.ศ. 1956:

• ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อถาวรพร้อมดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างเพลาแบบล็อกตัวเอง
• เครื่องยนต์สี่สูบแบบนอน
• เบรกดิสก์ครบทั้งสี่ล้อ
• ระบบเบรกป้องกันล้อล็อกอิเล็กโทรเมคานิกส์ Dunlop MaxaRet ที่ดัดแปลงมาจากการบิน

หัวใจของระบบส่งกำลัง Ferguson Formula คือกลไกล็อกตัวเองที่ชาญฉลาดภายในชุดถ่ายทอดกำลัง นอกเหนือจากดิฟเฟอเรนเชียล ชุดยังมีชุดเฟืองพิเศษ คลัตช์แบบ overrunning ลูกบอลสองตัว และชุดแผ่นเสียดทานสองชุด ภายใต้สภาวะปกติ ส่วนประกอบเหล่านี้จะหมุนเบาๆ แต่เมื่อล้อของเพลาหนึ่งเริ่มลื่น — ทำให้เกิดความแตกต่างของความเร็วเพลาส่งออก — คลัตช์ตัวหนึ่งจะต่อเชื่อม บีบอัดชุดแผ่นเสียดทานเข้ากับเฟืองดิฟเฟอเรนเชียลและแปลงการขับเคลื่อนดิฟเฟอเรนเชียลเป็นการเชื่อมต่อแบบแข็งทันที

ต้นแบบที่สอง Ferguson R5 estate ปี ค.ศ. 1962 มีความสามารถมากยิ่งขึ้น นักทดสอบของนิตยสาร Autocar ตั้งข้อสังเกตว่ามันถึงขีดจำกัดของการยึดเกาะที่ความเร็วที่ดูเหมือนเกือบเป็นไปไม่ได้ แม้จะเป็นเช่นนี้ ไม่มีผู้ผลิตรายใดยอมรับที่จะนำ Ferguson มาผลิตเชิงพาณิชย์ — ความซับซ้อนและต้นทุนสูงเกินไป อย่างไรก็ตาม ในปี ค.ศ. 1962 Tony Rolt ได้โน้มน้าวผู้บริหารของ Jensen Cars ให้ดัดแปลงระบบส่งกำลัง Ferguson Formula สำหรับรถคูเป้ CV8 ที่กำลังจะออกมา ซึ่งใช้เครื่องยนต์ Chrysler V8 300 แรงม้า สามปีต่อมา Jensen CV8 FF ทดลองขับเคลื่อนสี่ล้อก็เสร็จสมบูรณ์

ในปี ค.ศ. 1966 Jensen Interceptor ได้แทนที่ CV8 — และพร้อมกับรถคูเป้ขับเคลื่อนล้อหลังมาตรฐาน Jensen ยังเสนอรุ่นขับเคลื่อนสี่ล้อที่ติดป้าย “FF” อย่างสุภาพ Jensen FF กลายเป็นรถยนต์ผลิตเชิงพาณิชย์คันแรกของโลกที่รวมดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างเพลาแบบล็อกตัวเองกับระบบ ABS การกำหนด “FF” ย่อมาจาก “Formula Ferguson” ข้อมูลจำเพาะหลักได้แก่:

• เครื่องยนต์ Chrysler V8 บิ๊กบล็อก 6.3 ลิตร ให้กำลัง 325 แรงม้า
• เกียร์อัตโนมัติ TorqueFlite สามสปีดหรือเกียร์ธรรมดาสี่สปีด
• การกระจายแรงบิดแบบไม่สมมาตร: 63% ไปยังเพลาหลัง 37% ไปยังเพลาหน้า — เพื่อรักษาลักษณะการควบคุมแบบขับเคลื่อนล้อหลัง
• ระบบ ABS Dunlop MaxaRet แบบช่องเดียว
• พวงมาลัยแบบแร็คแอนด์พิเนียนพาวเวอร์และเบรกดิสก์ครบรอบ
• ความเร็วสูงสุด 212 กม./ชม.; 0–100 กม./ชม. ใน 7.7 วินาที; น้ำหนักรถประมาณ 1,800 กก.
• ราคาในสหราชอาณาจักรปี ค.ศ. 1968: ประมาณ 6,000 ปอนด์ — ใกล้เคียงกับ Rolls-Royce ราคาถูกที่สุด
• จำนวนผลิตทั้งหมด: 318 คัน (ค.ศ. 1966–1971)

นักข่าวยานยนต์ทุกคนในยุคนั้นยกย่องเสถียรภาพอันยอดเยี่ยมของ Jensen FF และสิ่งที่พวกเขาอธิบายว่าเป็น “ขอบแรงยึดเกาะที่เกือบไม่มีขีดจำกัดบนพื้นเปียก” น่าเศร้าที่ Harry Ferguson ไม่เคยได้เห็น Jensen FF — เขาเสียชีวิตในปี ค.ศ. 1960

ทำไมต้องใช้เวลากับ Ferguson Formula มากขนาดนี้? เพราะ Harry Ferguson Research เป็นองค์กรแห่งแรกในโลกที่ถือว่าระบบขับเคลื่อนสี่ล้อเป็นเครื่องมือสำหรับความปลอดภัยเชิงรุกเป็นหลัก — ไม่ใช่แค่เป็นทางแก้ปัญหาสำหรับการยึดเกาะนอกถนน การกระจายแรงบิดแบบไม่สมมาตรเป็นทางเลือกที่ตั้งใจเพื่อหลีกเลี่ยงความไม่แน่นอนที่รุมเร้าระบบ AWD แบบสมมาตร บนรถขับเคลื่อนล้อหลัง การเหยียบคันเร่งมากเกินไปในโค้งลื่นทำให้เกิดการโอเวอร์สเตียร์ที่คาดเดาได้ บนรถขับเคลื่อนล้อหน้า ทำให้เกิดอันเดอร์สเตียร์ที่คาดเดาได้ บนรถ AWD แบบสมมาตร การตอบสนองขึ้นอยู่กับว่าเพลาใดมีแรงยึดเกาะน้อยที่สุด — ซึ่งอาจคลุมเครือและอันตราย ด้วยการให้น้ำหนักแรงบิดไปยังล้อหลัง Ferguson Formula มอบการควบคุมแบบขับเคลื่อนล้อหลังที่เกือบคาดเดาได้ให้กับ Jensen FF ในสภาวะส่วนใหญ่

การประดิษฐ์ Visco-Coupler

กลไกล็อกตัวเองของ Ferguson Formula มีข้อจำกัดที่สำคัญหนึ่งประการ: คลัตช์แบบ overrunning ทำงานแบบไบนารี เปิด-ปิด การเปลี่ยนจากดิฟเฟอเรนเชียลแบบเปิดเป็นการล็อกเต็มที่เป็นทันที ซึ่งอาจสร้างความคลุมเครือในการควบคุมในขณะที่ต่อเชื่อม สิ่งที่ต้องการคือกลไกที่สามารถเปลี่ยนระดับของการล็อกดิฟเฟอเรนเชียลอย่างราบรื่นและต่อเนื่อง

ในช่วงปลายทศวรรษ 1960 Tony Rolt และ Derek Gardner — ต่อมาเป็นนักออกแบบหัวหน้าของรถ Formula 1 ของ Tyrrell — เริ่มทดลองกับของเหลวซิลิโคนที่ใช้ในคัปปลิ้งพัดลมแบบหนืด ผลลัพธ์คือ visco-coupler: ตัวเรือนทรงกระบอกที่เต็มไปด้วยของเหลวซิลิโคน ภายในมีชุดแผ่นเสียดทานสลับกันที่เชื่อมต่อกับเพลาส่งออกแต่ละตัว

นี่คือวิธีการทำงาน:

• ภายใต้สภาวะปกติ เมื่อล้อทั้งหมดหมุนด้วยความเร็วใกล้เคียงกัน ชุดแผ่นเสียดทานแทบจะไม่เคลื่อนที่สัมพันธ์กันและ coupler ไม่มีผลต่อดิฟเฟอเรนเชียล
• เมื่อเพลาหนึ่งเริ่มลื่น เพลาส่งออกของมันจะหมุนเร็วขึ้น ทำให้ชุดแผ่นเสียดทานหมุนสัมพันธ์กันและเฉือนของเหลวซิลิโคน
• การเฉือนเพิ่มอุณหภูมิและความดันภายใน coupler ทำให้ความหนืดของของเหลวเพิ่มขึ้นอย่างมาก
• การเพิ่มขึ้นของความหนืดนี้ทำให้แผ่นเสียดทานดึงกันเอง ค่อยๆ เบรกเพลาที่หมุนเร็วกว่าและล็อกดิฟเฟอเรนเชียลบางส่วนหรือทั้งหมด

หลังจากจดสิทธิบัตร visco-coupler Tony Rolt ก่อตั้ง FF Developments (FFD) ในปี ค.ศ. 1971 เพื่อจำหน่ายระบบส่งกำลังขับเคลื่อนสี่ล้อเชิงพาณิชย์ โครงการแรกๆ รวมถึงรถตู้ Bedford ขับเคลื่อนสี่ล้อสำหรับบริการป่าไม้ของอังกฤษ รถยนต์ตำรวจ Ford Zephyr FF หนึ่งชุด และรถยนต์นั่ง Opel Senator 4×4 สำหรับภารกิจทหารอังกฤษในกรุงเบอร์ลิน ประเทศเยอรมนี

ความสำเร็จในการผลิตที่สำคัญที่สุดของ FFD คือระบบส่งกำลังสำหรับ AMC Eagle (ค.ศ. 1979–1988) — รุ่นที่ยกสูงขับเคลื่อนสี่ล้อของรถยนต์นั่ง AMC Concord ติดตั้งยางขนาดใหญ่ขึ้นและยกตัวถัง 75 มม. AMC Eagle คือรถยนต์ผลิตเชิงพาณิชย์คันแรกในโลกที่ใช้ดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างเพลาที่ล็อกด้วย visco-coupler แม้จะออกแบบมาเป็นรถออฟโรดเบาแทนที่จะเป็นรถสมรรถนะ แต่สถาปัตยกรรมระบบส่งกำลังของมันกลายเป็นบรรพบุรุษโดยตรงของรถ AWD สมรรถนะที่ได้รับการยกย่องที่สุดบางรุ่นที่เคยสร้างขึ้น — รวมถึง Subaru Impreza WRX รุ่นแรกๆ และ Mitsubishi Lancer Evolution

ดิฟเฟอเรนเชียลแบบล็อกตัวเอง: จาก Torsen ถึงการควบคุมอิเล็กทรอนิกส์

เมื่อ Audi Quattro เริ่มผลิตในปี ค.ศ. 1981 — สองปีหลังจากการเปิดตัวของ AMC Eagle — มันใช้ดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างเพลาแบบเปิดทั่วไปพร้อมการล็อกแบบบวกที่ใช้มือบังคับ ความงดงามของทางแก้ปัญหาของ Audi อยู่ที่การจัดวาง: เครื่องยนต์ที่ติดตั้งตามแนวยาวชี้ตรงไปยังเพลาหลัง และดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างเพลาถูกรวมเข้ากับเกียร์บ็อกซ์โดยตรง เพลาทุติยภูมิของเกียร์บ็อกซ์ถูกทำให้กลวง และเพลาส่งกำลังหน้าถูกร้อยผ่านมัน ทีมงานของ Ferdinand Piëch เลือกการกระจายแรงบิดแบบสมมาตร 50:50 ระหว่างหน้าและหลัง

ในปี ค.ศ. 1984 คันโยกล็อกดิฟเฟอเรนเชียลด้วยมือในที่สุดก็หายไปจากห้องโดยสาร Audi แทนที่ด้วยดิฟเฟอเรนเชียลแบบล็อกตัวเอง Torsen (TORque SENsing) Torsen มีข้อดีหลักหลายประการ:

• เป็นเชิงกลล้วนๆ — ไม่ต้องใช้อิเล็กทรอนิกส์ ของเหลว หรืออินพุตจากคนขับ
• ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของแรงบิดบนเพลาส่งออกแทนที่จะเป็นความแตกต่างของความเร็ว หมายความว่าสามารถตอบสนองก่อนที่ล้อจะลื่นจริงๆ
• ต่างจาก visco-coupler มันล็อกเฉพาะภายใต้การลากจูง ไม่ใช่การเบรก ทำให้เข้ากันได้อย่างสมบูรณ์กับ ABS
• การล็อกและปลดล็อกเป็นไปอย่างราบรื่นและต่อเนื่อง ไม่มีการเปลี่ยนแบบไบนารี

ความสามารถที่พิสูจน์แล้วของ Torsen ในการมอบการปรับปรุงการควบคุมและเสถียรภาพบนรถสมรรถนะในภายหลังได้ดึงดูดวิศวกร SUV ที่ต้องการพลวัตเหมือนรถยนต์นั่ง ปัจจุบันมันถูกใช้ในระบบส่งกำลังของยานพาหนะ รวมถึง Range Rover, Volkswagen Touareg, Porsche Cayenne และ Toyota Land Cruiser Prado

กลับไปในทศวรรษ 1980 การครองแชมป์แรลลี่ของ Audi Quattro จุดชนวนการแข่งขัน AWD ในหมู่คู่แข่ง Group B ในไม่กี่ฤดูกาล รถแข่งแรลลี่ขับเคลื่อนสี่ล้อต่อไปนี้ปรากฏขึ้น — แต่ละคันใช้เทคโนโลยี visco-coupler ของ FFD ในดิฟเฟอเรนเชียลแบบล็อกตัวเอง:

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

Stuart Rolt ลูกชายของ Tony บริหารความสัมพันธ์ของ FFD กับทีมแรลลี่ในช่วงเวลานั้น

ในต้นทศวรรษ 1990 โรงงาน AZLK ในรัสเซียยังหันมาหา FFD เพื่อพัฒนารุ่นแรลลี่ขับเคลื่อนสี่ล้อของ Moskvitch 2141 ใช้เค้าโครงดิฟเฟอเรนเชียลสามตัวเหมือนกับ Ford RS200 Moskvitch ทดลองขับเคลื่อนสี่ล้อมีการควบคุมที่คาดเดาได้อย่างน่าทึ่งในสภาวะสุดขีด การทดสอบเปิดเผยหลักการสำคัญ: ด้วยการปรับความแข็งล็อกของ visco-coupler แต่ละตัวแยกกัน วิศวกรสามารถปรับสมดุลการควบคุมของรถได้อย่างกว้างขวาง:

• ดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างล้อหลังที่แข็งกว่า → มีแนวโน้มโอเวอร์สเตียร์มากขึ้น
• ดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างล้อหน้าหรือระหว่างเพลาที่แข็งกว่า → อันเดอร์สเตียร์และเสถียรภาพมากขึ้น

ความสามารถในการปรับจูนนี้คือเหตุผลที่รถแข่ง WRC สมัยใหม่ใช้ชุดคลัตช์แบบหลายแผ่นที่ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์แทน visco-coupler แบบพาสซีฟในดิฟเฟอเรนเชียลทั้งสามตัว ตัวกระตุ้นไฮดรอลิกและคอมพิวเตอร์ออนบอร์ดสามารถเปลี่ยนแปลงการล็อกของดิฟเฟอเรนเชียลแต่ละตัวแบบเรียลไทม์ — ปลดคลัตช์เมื่อเข้าโค้งเพื่อให้รถหมุนได้อย่างอิสระ จากนั้นค่อยๆ บีบอัดเมื่อคนขับเร่งออกสู่ทางตรงเพื่อเพิ่มแรงยึดเกาะสูงสุดขณะหลีกเลี่ยงอันเดอร์สเตียร์

ผู้ผลิตสองรายเป็นผู้บุกเบิกดิฟเฟอเรนเชียลที่ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์ในรถยนต์บนถนน:

• Mercedes-Benz 4Matic (ค.ศ. 1986, W124 E-Class): คลัตช์ที่ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์สามตัวต่อเชื่อมเพลาหน้าตามลำดับ จากนั้นล็อกดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างเพลา แล้วล็อกดิฟเฟอเรนเชียลหลังตามที่สภาวะต้องการ ระบบมีประสิทธิภาพแต่ซับซ้อนเกินไป และอิเล็กทรอนิกส์อาจทำให้ล้อหน้าต่อเชื่อมและถอดออกอย่างเห็นได้ชัดบนพื้นผิวหลวม
• Porsche 959 (ค.ศ. 1986): คลัตช์ที่ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์สองตัวที่ทำงานผ่านสี่โหมดที่คนขับเลือกได้ ระบบของ 959 ซับซ้อนกว่าและเหมาะสมกับการใช้งานสมรรถนะสูงมากกว่า

การแทนที่ดิฟเฟอเรนเชียล: Haldex และระบบ AWD แบบง่าย

ในขณะที่วิศวกรแรลลี่กำลังผลักดันดิฟเฟอเรนเชียลแบบล็อกตัวเองถึงขีดจำกัด นักออกแบบรถยนต์นั่งตลาดมวลชนเคลื่อนไปในทิศทางตรงกันข้าม — ขจัดดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างเพลาโดยสิ้นเชิงและแทนที่ด้วย visco-coupler เพียงอย่างเดียว Volkswagen Golf II Syncro ปี ค.ศ. 1985 เป็นรถยนต์นั่งยุโรปคันแรกที่ใช้วิธีนี้ ระบบส่งกำลังได้รับการพัฒนาโดยวิศวกรจาก GKN ซึ่งได้เข้าซื้อ FFD ในปี ค.ศ. 1969

การจัดวาง visco-coupler แบบง่ายเสนอข้อดีที่ชัดเจนสำหรับการผลิตตลาดมวลชน:

• รุ่น AWD ใช้ส่วนประกอบส่วนใหญ่ร่วมกับรุ่นขับเคลื่อนล้อหน้ามาตรฐาน ลดต้นทุนการผลิตและความซับซ้อน
• ภายใต้สภาวะปกติ รถขับเหมือนกับรถขับเคลื่อนล้อหน้า
• เมื่อล้อหน้าลื่น visco-coupler สามารถถ่ายโอนแรงบิดได้ถึง 70% ไปยังล้อหลังภายในประมาณ 0.2 วินาที

อย่างไรก็ตาม การต่อเชื่อมที่ล่าช้านี้สร้างความเสี่ยงในการควบคุม: รถที่ในตอนแรกมีพฤติกรรมเหมือนรถขับเคลื่อนล้อหน้า (ดันออกที่ด้านหน้า) อาจเปลี่ยนเป็นพฤติกรรมที่เน้นล้อหลังอย่างฉับพลันเมื่อ visco-coupler ต่อเชื่อม ทำให้คนขับตกใจ ผู้ผลิตญี่ปุ่นสำรวจทางแก้ปัญหาต่างๆ รวมถึงการติดตั้ง visco-coupler หลายตัว — บางรุ่น เช่น Nissan Sunny/Pulsar ปี ค.ศ. 1988 ใช้สามตัว: หนึ่งตัวเพื่อต่อเชื่อมระบบขับเคลื่อนหลังและหนึ่งตัวเพื่อล็อกดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างล้อแต่ละตัว Mazda Concerto 4WD ไปไกลยิ่งขึ้น โดยใช้ visco-coupler แทนทั้งดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างเพลาและดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างล้อหลัง

ขั้นตอนวิวัฒนาการถัดไปแทนที่ visco-coupler ด้วยคลัตช์แบบหลายแผ่นไฮดรอลิกที่ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์ — อุปกรณ์ที่เร็วกว่าและควบคุมได้แม่นยำกว่ามาก การต่อเชื่อม Haldex ซึ่งแทนที่ visco-coupler บน Volkswagen Golf IV และน้องสาวของแพลตฟอร์ม คือตัวอย่างที่รู้จักกันดีที่สุดของเทคโนโลยีนี้ นี่คือวิธีการทำงาน:

• กล้องหน้าตรวจจับความแตกต่างของความเร็วการหมุนระหว่างเพลาหน้าและหลัง
• ลูกกลิ้งที่ขี่อยู่บนพื้นผิวกล้องดันลูกสูบในกระบอกสูบวงแหวน สูบของเหลวไฮดรอลิก
• ความดันของเหลวบีบอัดชุดคลัตช์แบบหลายแผ่น ถ่ายโอนแรงบิดไปยังเพลาหลัง
• โซลินอยด์วาล์วที่ควบคุมโดยอิเล็กทรอนิกส์ของยานพาหนะสามารถปล่อยความดันได้ทุกจุด — อนุญาตให้กระจายแรงบิดได้อย่างไม่สิ้นสุด

ปัจจุบัน รถยนต์นั่ง AWD และรถครอสโอเวอร์ส่วนใหญ่ใช้สถาปัตยกรรมคลัตช์ที่ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์บางรูปแบบ — ไม่ว่าจะเป็น Haldex บนยานพาหนะกลุ่ม Volkswagen, VTM-4 ของ Honda หรือ xDrive ของ BMW ความเร็วของระบบคลัตช์สมัยใหม่ลดความล่าช้าในการต่อเชื่อมจนถึงจุดที่ไม่รู้สึกได้ในการขับขี่ปกติ การปรับจูนซอฟต์แวร์ควบคุมตอนนี้สำคัญกว่าฮาร์ดแวร์เอง: Golf 4Motion และ Audi A3 Quattro ใช้ระบบส่งกำลังที่เหมือนกันทางกลไก แต่ซอฟต์แวร์ที่แตกต่างกันมอบการกระจายแรงบิดแบบสมมาตรให้กับ Volkswagen ขณะที่การสอบเทียบของ Audi ส่ง 60% ของแรงบิดไปยังล้อหน้าเพื่อให้รู้สึกเหมือนขับเคลื่อนล้อหน้าที่คุ้นเคย

เทคโนโลยี AWD ในปัจจุบัน: ระบบใดดีที่สุด?

ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อแบบ part-time พร้อมเพลาที่สองที่ต่อเชื่อมด้วยมือได้หายไปจากรถยนต์นั่งโดยสิ้นเชิง สถาปัตยกรรมที่เหลือแต่ละแบบมีข้อดีของตัวเอง:

• AWD แบบ full-time พร้อมดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างเพลาแบบล็อกตัวเอง (visco-coupler ตามใน Subaru, Torsen เชิงกลตามใน Audi A4/A6/A8 Quattro และ Volkswagen Phaeton หรือคลัตช์ที่ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์ตามใน Mitsubishi Lancer Evo): ระบบที่ซับซ้อนและให้ความสุขในการขับขี่ที่สุด สามารถปรับปรุงการควบคุมได้อย่างแท้จริงทั้งบนถนนและสนามแข่งเมื่อปรับจูนอย่างถูกต้อง
• AWD แบบ full-time พร้อมดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างเพลาแบบเปิด (ตามใน Mercedes-Benz 4Matic): พึ่งพาอิเล็กทรอนิกส์ป้องกันการลื่นไถลเพื่อชดเชยการขาดการล็อกตัวเอง มีประสิทธิภาพบนถนน แต่เชิงกลมีความรุกน้อยกว่า
• ขับเคลื่อนล้อหลังแบบ part-time ผ่านคลัตช์ที่ควบคุม (Haldex ตามใน Volvo, Saab และรถครอสโอเวอร์กลุ่ม Volkswagen ต่างๆ): การจัดวางที่พบบ่อยที่สุดในรถครอสโอเวอร์สมัยใหม่ — ประหยัดต้นทุน เบา และมีความสามารถเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ด้วยอิเล็กทรอนิกส์ที่เร็วขึ้น

แนวโน้มที่โดดเด่นใน AWD ขั้นสูงคือ torque vectoring — ไม่ใช่แค่การกระจายแรงบิดระหว่างเพลาหน้าและหลัง แต่การเปลี่ยนแปลงอย่างแข็งขันระหว่างล้อซ้ายและขวาบนเพลา Mitsubishi Lancer Evolution X แสดงถึงสถานะสูงสุดของศิลปะ: ระบบ S-AWC รวมดิฟเฟอเรนเชียลกลางที่ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์ (ACD) กับดิฟเฟอเรนเชียลหลัง Active Yaw Control (AYC) ที่สามารถถ่ายโอนแรงบิดระหว่างล้อหลังได้อย่างอิสระ ชุดเฟืองเพิ่มเติมสามารถเปลี่ยนสมดุลแรงบิดอย่างรุกล่วงหน้า ก่อนที่จะสูญเสียแรงยึดเกาะ แทนที่จะเป็นเชิงรับเมื่อล้อลื่นแล้ว

ในทางปฏิบัติ ความแตกต่างในการควบคุมในโลกจริงระหว่างระบบ AWD สมัยใหม่ยังคงแคบลงเมื่ออิเล็กทรอนิกส์ควบคุมมีความซับซ้อนมากขึ้น ระบบที่ใช้ Haldex ที่ปรับจูนดีในรถครอสโอเวอร์สามารถมอบเสถียรภาพที่จะดูน่าทึ่งจากดิฟเฟอเรนเชียล Torsen เชิงกลเมื่อรุ่นก่อนหน้า นั่นคือทิศทางที่เทคโนโลยีกำลังมุ่งสู่ในที่สุด — และจุดปลายทางอาจเป็นรถยนต์ไฟฟ้าพร้อมมอเตอร์ล้อสี่ตัวแยกกัน แต่ละตัวส่งแรงบิดที่ควบคุมอย่างแม่นยำโดยไม่มีระบบส่งกำลังเชิงกลเลย

นี่คือการแปล คุณสามารถอ่านต้นฉบับได้ที่นี่: https://www.drive.ru/technic/4efb336400f11713001e4f54.html