Bài viết này ban đầu được hình thành như một hướng dẫn kỹ thuật đơn thuần — kiểu như “tất cả những gì bạn từng muốn biết về hệ dẫn động bốn bánh nhưng không biết hỏi ai.” Dự định là giải thích một bộ vi sai mở khác với khớp nối nhớt (visco-coupler) hay bộ Haldex như thế nào, một bộ vi sai tự khóa thực chất làm gì, và tại sao tất cả những điều đó lại quan trọng. Nhưng càng đào sâu vào lịch sử, mọi thứ càng trở nên bất ngờ. Chiếc xe du lịch đầu tiên có hệ dẫn động bốn bánh toàn thời gian được chế tạo tại Hà Lan hơn một trăm năm trước. Và vào năm 1935, một chiếc xe đua Mỹ dẫn động bốn bánh đã tiến gần đến mức đáng kinh ngạc việc làm thay đổi tiến trình lịch sử thế giới.
Rốt cuộc thì tại sao một chiếc xe du lịch lại cần đến hệ dẫn động bốn bánh? Trong thế kỷ 21, câu trả lời có vẻ hiển nhiên: bám đường tốt hơn, ít trượt bánh hơn trên mặt đường trơn, ổn định hơn khi tăng ga. Bốn bánh chủ động đơn giản là tốt hơn hai bánh. Vậy mà ngành công nghiệp lại mất một khoảng thời gian dài đến bất ngờ mới hành động theo điều đó. Hãy hỏi bất kỳ nhà sử học ô tô nào và họ sẽ nói với bạn rằng kỷ nguyên dẫn động bốn bánh của những chiếc xe phổ thông bắt đầu vào năm 1980 với chiếc Audi Quattro, cùng với vài tiền bối hiếm hoi — chiếc siêu xe Anh quốc Jensen FF năm 1966 và chiếc Subaru Leone 4WD năm 1972. Một chuyên gia thực thụ sẽ nói thêm rằng những chiếc Subaru dẫn động bốn bánh thời kỳ đầu hoàn toàn không phải là dẫn động bốn bánh toàn thời gian. Chúng là dẫn động bán thời gian. Và chính sự phân biệt đó hóa ra lại là toàn bộ câu chuyện.
Dẫn động 4WD bán thời gian: Một giải pháp tạm thời
Chỉ dẫn động một cầu vào một số thời điểm là một sự thỏa hiệp, và không phải là một giải pháp tinh tế đối với một chiếc xe chạy đường trường. Thuật ngữ “4WD bán thời gian” đến từ thế giới của xe SUV và xe tải việt dã. Trong bố cục này, một cầu được dẫn động thường trực còn cầu kia được kết nối cứng khi cần — nhưng kết nối cứng đó chỉ có thể sử dụng khi đi ngoài đường nhựa. Trên đường nhựa, hệ thống buộc phải ngắt hoàn toàn.
Vì sao kết nối cứng thất bại trên đường nhựa
- Khi một chiếc xe vào cua, các bánh trước đi theo một cung dài hơn các bánh sau và do đó phải quay nhanh hơn.
- Với một hệ dẫn động bốn bánh được kết nối cứng, lực bám ở các bánh trước bị giảm trong khi mô-men xoắn ở phía sau lại tăng lên.
- Trong một số trường hợp, các bánh trước có thể tạo ra lực phanh thay vì lực kéo — làm tăng lực cản và khiến xe khó điều khiển hơn.
- Trên các bề mặt rời rạc như bùn hay tuyết thì điều này có thể kiểm soát được, nhưng trên đường nhựa nó gây ra tình trạng kẹt cứng hệ truyền động nghiêm trọng và các vấn đề về khả năng vận hành.
Khi qua một khúc cua, mỗi bánh xe đi theo cung riêng của nó và phải quay ở tốc độ riêng của nó. Đó là lý do vì sao hệ dẫn động bốn bánh toàn thời gian cần đến ba bộ vi sai: hai bộ giữa các bánh của mỗi cầu, và một bộ giữa chính hai cầu với nhau, để cầu trước và cầu sau có thể quay độc lập với nhau.
Những chiếc xe bán thời gian: Từ GAZ-61 đến Subaru Leone
Bất chấp tất cả những điều đó, hệ dẫn động bốn bánh kết nối cứng vẫn đến được với một vài chiếc xe chạy đường trường, dù về bản chất chúng gần với xe tải việt dã hơn. Ở Liên Xô, chiếc GAZ-61 “Emka” — một chiếc sedan dẫn động bốn bánh với động cơ sáu xy-lanh và cầu trước bán thời gian — đã bước vào sản xuất theo lô nhỏ ngay từ năm 1938. Sau chiến tranh, ý tưởng tương tự xuất hiện ở chiếc xe việt dã GAZ-M72 “Pobeda” và chiếc Moskvitch-410. Chiếc Subaru Leone 4WD năm 1972 tuân theo đúng cùng một logic: được chế tạo để đi đường gồ ghề, cao hơn những chiếc Subaru dẫn động cầu trước, với một cầu sau mà người lái tự gài bằng tay.
Chiếc Subaru Leone 4WD Station Wagon (1972–1979) là một phiên bản dẫn động bốn bánh được cải biên từ nền tảng dẫn động cầu trước, với một cầu sau kết nối bằng tay. Các thông số kỹ thuật chính bao gồm:
- Tùy chọn động cơ: 1,4 lít (72 mã lực) hoặc 1,6 lít (80 mã lực)
- Kiểu thân xe: station wagon, sedan và bán tải
- Cách gài cầu sau: bằng tay trên các xe số sàn; tự động qua một bộ ly hợp ma sát nhiều đĩa trên các xe số tự động
- Cách bố trí bán thời gian này tiếp tục được dùng trên tất cả các mẫu Subaru dẫn động bốn bánh cho đến năm 1989
Vấn đề cốt lõi của dẫn động bán thời gian là nó vô dụng trên những con đường trải nhựa, nơi hầu hết các xe dành phần lớn cuộc đời của chúng — vậy mà chiếc xe vẫn phải mang theo trọng lượng của một hộp số phụ, một trục các-đăng thứ hai và cả một cụm cầu bổ sung ở bất cứ đâu nó đi tới. Việc chuyển đổi một hệ thống bán thời gian thành toàn thời gian chỉ cần thêm đúng một bộ phận: một bộ vi sai giữa các cầu nằm bên trong hộp số phụ.
Hệ dẫn động bốn bánh toàn thời gian: Cách nó hoạt động và vì sao nó quan trọng
Ba bộ vi sai, một nguyên lý
Bộ vi sai giữa các cầu là chìa khóa cho hệ dẫn động bốn bánh toàn thời gian. Hai bộ vi sai giữa các bánh cho phép bánh trái và bánh phải của mỗi cầu quay ở tốc độ khác nhau khi qua cua. Bộ vi sai giữa các cầu làm đúng công việc đó giữa cầu trước và cầu sau. Một chiếc xe có đủ cả ba bộ có thể chạy dẫn động bốn bánh toàn thời gian trên mọi bề mặt mà không làm kẹt hệ truyền động hay làm cùn khả năng vận hành.
Đủ đơn giản về mặt lý thuyết — vậy mà cho đến đầu thập niên 1980, ngành công nghiệp vẫn coi hệ dẫn động bốn bánh toàn thời gian là không cần thiết trên một chiếc xe chạy đường trường. Quan niệm phổ biến khi ấy là việc quay thêm một cặp bánh và tất cả những gì gắn với chúng trên mặt đường nhựa khô chỉ làm tăng thêm tiếng ồn và mức tiêu thụ nhiên liệu.
Quattro da chung minh dieu gi
Chiếc Audi Quattro đã thay đổi lối suy nghĩ đó mãi mãi. Bằng cách phân bổ mô-men xoắn của động cơ ra cả bốn bánh mọi lúc, một hệ thống toàn thời gian:
- Để dành một biên độ bám lớn hơn cho việc xử lý các lực ngang khi vào cua
- Cải thiện đáng kể độ ổn định khi tăng tốc hoặc phanh giữa lúc vào cua
- Giảm nguy cơ thừa lái hoặc thiếu lái đột ngột do các thao tác chân ga gây ra
Chiếc Audi 80 Quattro cuối thập niên 1980 cho thấy bố cục này đã trở nên tinh xảo đến mức nào. Kiến trúc Quattro gọn gàng hơn so với hệ truyền động Ferguson Formula đối thủ. Từ năm 1984, Audi trang bị bộ vi sai tự khóa Torsen — một cơ cấu thuần cơ khí phản ứng theo mô-men xoắn trên mỗi trục ra thay vì theo sự chênh lệch tốc độ bánh xe. Khác với khớp nối nhớt, Torsen chỉ khóa khi có lực kéo, không bao giờ khóa khi phanh, điều này khiến nó hoàn toàn tương thích với ABS và ổn định hơn trong quá trình giảm tốc.
Đáng lưu ý rằng chiếc Range Rover (1970) và chiếc Lada Niva của Nga (1976) thường được ghi nhận là những phương tiện sản xuất hàng loạt đầu tiên có bộ vi sai giữa các cầu — nhưng cả hai đều thuần túy là xe việt dã. Danh hiệu của Audi Quattro cụ thể là chiếc đầu tiên trong số các xe du lịch.
Những chiếc xe đua dẫn động bốn bánh thời kỳ đầu: Từ Spyker đến Bugatti
Liệu các nhà thiết kế xe đua có tìm hiểu hệ dẫn động bốn bánh toàn thời gian trước kỷ nguyên Quattro không? Chắc chắn là có — và câu chuyện quay ngược về xa hơn nhiều so với hầu hết mọi người tưởng.
Cac thu nghiem four-wheel-drive cua Porsche
Dự án đầu tiên sau chiến tranh của Ferdinand Porsche là một chiếc xe đua dẫn động bốn bánh: chiếc Cisitalia 360, động cơ đặt giữa, với một động cơ mười hai xy-lanh dung tích 1,5 lít. Tuy nhiên, hệ dẫn động cầu trước của nó là bán thời gian — người lái gài nó trên các đoạn thẳng và chuyển lại về dẫn động cầu sau trước khi vào cua.
Thực tế Porsche đã chế tạo một chiếc xe dẫn động bốn bánh sớm hơn thế rất nhiều: một chiếc xe điện với bốn mô-tơ riêng cho từng bánh, có từ năm 1900.
Spyker 60 HP, 1902
Cú sốc thực sự đối với các nhà sử học ô tô là chiếc xe đua năm 1902 do nhà sản xuất Hà Lan Spyker chế tạo. Vào thời điểm mà ngay cả phanh cũng chỉ được lắp cho các bánh sau, chiếc xe này đã có hệ dẫn động bốn bánh toàn thời gian đích thực, bao gồm cả bộ vi sai giữa các cầu.
Spyker được thành lập vào năm 1880 bởi anh em nhà Spijker với vai trò là nhà sản xuất xe ngựa kéo. Chiếc xe đầu tiên của họ ra mắt vào năm 1900, và hai năm sau, cùng làm việc với nhà thiết kế người Bỉ Joseph Valentin Laviolette, họ đã cho ra đời chiếc xe đua dẫn động bốn bánh Spyker 60 HP (1902–1907). Thông số kỹ thuật của nó là phi thường so với thời kỳ đó:
- Ba bộ vi sai — một bộ giữa các cầu và cả hai bộ giữa các bánh
- Ba cơ cấu phanh riêng biệt — hai bộ trên các bánh sau, một bộ trên trục các-đăng trước
- Một hệ dẫn động bốn bánh mà về mặt ý tưởng sẽ không có gì sánh được trong nhiều thập niên
Như vậy, ý tưởng dẫn động bốn bánh toàn thời gian đã hơn một thế kỷ tuổi. Không có nhiều chiếc Spyker dẫn động bốn bánh được chế tạo — chúng cực kỳ đắt đỏ và chưa bao giờ đạt được nhiều thành tích trong thi đấu. Hai dự án tham vọng hơn tiếp nối vào đầu thập niên 1930.
Bugatti Tipo 53 va Miller FWD
Chiếc Bugatti Tipo 53 khởi nguồn từ kỹ sư Fiat Antonio Pichetto, người đã đề xuất ý tưởng này với Ettore Bugatti vào năm 1930. Ba chiếc xe được hoàn thành vào năm 1932, mỗi chiếc có:
- Một động cơ tám xy-lanh thẳng hàng tăng áp cơ khí công suất 300 mã lực
- Hệ dẫn động bốn bánh toàn thời gian với ba bộ vi sai
- Một hộp số phụ và bộ vi sai giữa các cầu được tích hợp với hộp số lắp rời
- Các trục dẫn động cho cả hai cầu được bố trí ở phía bên trái của xe
- Một hệ thống treo trước độc lập trên lò xo lá đặt ngang — điều bất thường đối với Bugatti
Chiếc Tipo 53 vượt qua các xe dẫn động cầu sau cùng thời khi qua những khúc cua rải sỏi, nhưng nó lái nặng đến kinh khủng: các trục dẫn động trước dùng khớp Cardan thông thường thay vì khớp đồng tốc. Ba chiếc xe này thi đấu cho đến năm 1935.
Chiếc Miller FWD ra đời một phần vì nhà thiết kế người Mỹ Harry Miller đã nghiên cứu một chiếc Bugatti dẫn động cầu trước được mua về với mục đích cụ thể là để tháo rời ra. Được truyền cảm hứng từ những gì tìm thấy, Miller đã phát triển khung gầm dẫn động bốn bánh của riêng mình với sự tài trợ của công ty xe tải FWD. Một trong những chiếc Miller dẫn động bốn bánh đã dẫn đầu chặng Indianapolis 500 năm 1934 trước khi sự cố cơ khí đẩy nó xuống hạng chín.
Su thoat hiem sat sao tai AVUS, 1935
Những chiếc xe này còn gắn liền với một trong những khoảnh khắc “giá như” kỳ lạ nhất trong lịch sử ô tô. Trong một cuộc đua tại đường đua AVUS ở Berlin năm 1935, một chiếc Miller dẫn động bốn bánh đang chạy ở vị trí thứ ba thì động cơ tám xy-lanh thẳng hàng của nó hỏng hóc thảm khốc và văng mảnh vỡ về phía khán đài. Adolf Hitler có mặt trên khán đài hôm đó. Chỉ cần một mảnh vỡ nhỏ chạm tới ông ta thôi, thì tiến trình của Thế chiến thứ hai — và của lịch sử thế giới — có lẽ đã hoàn toàn khác.
Ferguson Formula: Hệ thống AWD đã thay đổi tất cả
Vấn đề của bộ vi sai trung tâm kiểu mở
Để theo dõi chương tiếp theo, sẽ hữu ích nếu ta quay lại một hạn chế cơ bản của bộ vi sai giữa các cầu kiểu mở. Một bộ vi sai mở để một cầu quay tự do trong khi cầu kia hoàn toàn không nhận được mô-men xoắn nào. Nếu các bánh sau mất bám hoàn toàn, các bánh trước có thể đứng yên trong khi các bánh sau quay tít — và bộ vi sai chẳng làm gì để ngăn điều đó.
Câu trả lời của thế giới SUV là khóa cưỡng bức: người lái gài một cơ cấu khóa cứng các bánh răng vi sai, biến truyền động vi sai thành một kết nối cứng. Những chiếc Range Rover đời đầu dùng nó, chiếc Lada Niva và hàng chục xe việt dã khác cũng vậy — và chiếc Audi Quattro thế hệ đầu tiên cũng thế, chiếc xe đòi người lái phải khóa bộ vi sai trung tâm bằng tay cho đến năm 1984. Nhưng khóa bằng tay lại là một sự thỏa hiệp khác. Nó phải được nhả ra trên các bề mặt cứng, và nó chẳng có tác dụng gì nếu một bánh xe bắt đầu quay trượt bất ngờ trên đường trơn.
Rolt, Dixon và Harry Ferguson
Bộ vi sai giữa các cầu tự khóa tự động đầu tiên là công trình của tay đua kiêm kỹ sư người Anh Tony Rolt. Cùng với người bạn kiêm đồng nghiệp đua xe Fred Dixon, ông đã điều hành xưởng Rolt/Dixon Developments trước chiến tranh; về sau, cả hai trở nên say mê những gì mà hệ dẫn động bốn bánh toàn thời gian có thể làm được. Họ đã chế tạo một chiếc xe thử nghiệm dẫn động bốn bánh mang tên “Crab,” và vào năm 1950 đã hợp lực với Harry Ferguson — nhà sản xuất máy kéo thành công — để thành lập Harry Ferguson Research.
Ferguson không theo đuổi một chiếc xe đua. Ông muốn một chiếc xe đường trường thực sự an toàn: một chiếc mà các bánh của nó không quay trượt khi tăng tốc cũng không bó cứng khi phanh. Rolt và Dixon bắt tay thiết kế nó từ con số không — cả thân xe, hộp số lẫn hệ động lực — với nhà thiết kế giàu kinh nghiệm Claude Hill, cựu nhân viên của Aston Martin, làm kỹ sư trưởng. Chiếc sedan thử nghiệm Ferguson R4 được hoàn thành sau sáu năm làm việc, và thông số kỹ thuật của nó là đáng chú ý so với năm 1956:
- Hệ dẫn động bốn bánh toàn thời gian với một bộ vi sai giữa các cầu tự khóa
- Dong co flat-four
- Phanh đĩa trên cả bốn bánh
- Hệ thống chống bó cứng phanh cơ-điện Dunlop MaxaRet, được cải biên từ ngành hàng không
Bên trong hộp số phụ Ferguson Formula
Trái tim của hệ truyền động Ferguson Formula là một cơ cấu tự khóa tài tình bên trong hộp số phụ. Ngoài bộ vi sai, cụm chi tiết này còn chứa một bộ bánh răng phụ, hai khớp một chiều kiểu bi và hai bộ đĩa ma sát. Khi vận hành bình thường, các bộ phận này quay không tải một cách êm ả. Nhưng ngay khi các bánh của một cầu bắt đầu trượt — tạo ra sự chênh lệch tốc độ giữa các trục ra — một trong hai khớp sẽ ăn khớp, ép bộ đĩa ma sát của nó vào các bánh răng vi sai và ngay lập tức biến truyền động vi sai thành một kết nối cứng.
Một nguyên mẫu thứ hai, chiếc Ferguson R5 estate năm 1962, còn tốt hơn nữa. Các chuyên gia thử nghiệm của Autocar ghi nhận rằng nó đạt tới giới hạn bám đường ở những tốc độ tưởng chừng gần như bất khả thi. Dù vậy, không nhà sản xuất nào chịu đưa chiếc Ferguson vào sản xuất; sự phức tạp và chi phí là quá lớn.
Jensen FF duoc ban ra
Vào năm 1962, Tony Rolt đã thuyết phục ban lãnh đạo của Jensen Cars cải biên hệ truyền động Ferguson Formula cho chiếc coupe CV8 sắp ra mắt của họ và động cơ Chrysler V8 công suất 300 mã lực của nó. Ba năm sau, một chiếc Jensen CV8 FF dẫn động bốn bánh thử nghiệm đã lăn bánh.
Vào năm 1966, chiếc Jensen Interceptor thay thế cho CV8, và bên cạnh chiếc coupe dẫn động cầu sau tiêu chuẩn, Jensen còn giới thiệu một phiên bản dẫn động bốn bánh mang một phù hiệu “FF” kín đáo — viết tắt của “Formula Ferguson.” Chiếc Jensen FF trở thành chiếc xe sản xuất hàng loạt đầu tiên trên thế giới kết hợp một bộ vi sai giữa các cầu tự khóa với ABS. Các thông số kỹ thuật chính bao gồm:
- Động cơ Chrysler V8 big-block dung tích 6,3 lít sản sinh 325 mã lực
- Hộp số tự động TorqueFlite ba cấp hoặc hộp số sàn bốn cấp
- Phân bổ mô-men xoắn bất đối xứng: 63% cho cầu sau, 37% cho cầu trước — để giữ được đặc tính vận hành của xe dẫn động cầu sau
- Hệ thống ABS Dunlop MaxaRet một kênh
- Trợ lực lái kiểu thanh răng-bánh răng và phanh đĩa ở tất cả các bánh
- Tốc độ tối đa 212 km/h; tăng tốc 0–100 km/h trong 7,7 giây; trọng lượng không tải khoảng 1.800 kg
- Giá tại Anh vào năm 1968: khoảng £6.000 — tương đương với chiếc Rolls-Royce rẻ nhất
- Tong san luong: 318 xe (1966-1971)
Mọi nhà báo ô tô thời bấy giờ đều ca ngợi độ ổn định của chiếc Jensen FF và cái mà họ mô tả là “một biên độ bám gần như vô hạn trên mặt đường nhựa ướt.” Harry Ferguson chưa bao giờ được thấy chiếc xe: ông qua đời vào năm 1960.
Vì sao Ferguson Formula lại quan trọng
Vì sao lại dành nhiều thời gian đến vậy cho Ferguson Formula? Bởi vì Harry Ferguson Research là tổ chức đầu tiên ở bất cứ đâu trên thế giới xem hệ dẫn động bốn bánh trước hết như một công cụ an toàn chủ động chứ không phải như một lời giải cho khả năng bám đường việt dã.
Việc phân bổ mô-men xoắn bất đối xứng là một nước đi có chủ đích nhằm chống lại tính khó lường vốn đeo bám các hệ thống đối xứng. Đạp ga quá mạnh trên một chiếc xe dẫn động cầu sau khi vào một khúc cua trơn trượt và nó sẽ thừa lái, một cách có thể đoán trước. Làm điều tương tự trên một chiếc xe dẫn động cầu trước và nó sẽ thiếu lái, một cách có thể đoán trước. Làm điều đó trên một chiếc xe dẫn động bốn bánh đối xứng và câu trả lời phụ thuộc vào việc cầu nào ngẫu nhiên có độ bám kém hơn — điều này mơ hồ, và nguy hiểm. Bằng cách thiên mô-men xoắn về phía sau, Ferguson Formula đã mang lại cho chiếc Jensen FF một thứ gì đó gần với đặc tính của xe dẫn động cầu sau trong hầu hết mọi điều kiện.
Sự ra đời của khớp nối nhớt
Cơ cấu Ferguson có một hạn chế thực sự: các khớp một chiều của nó hoạt động theo kiểu nhị phân, bật-tắt. Bước nhảy từ vi sai mở sang khóa hoàn toàn là tức thời, và điều đó có thể tạo ra một sự mơ hồ của riêng nó vào thời điểm ăn khớp. Điều mong muốn là một cơ cấu có thể thay đổi mức độ khóa một cách mượt mà.
Vào cuối thập niên 1960, Tony Rolt và Derek Gardner — về sau là nhà thiết kế trưởng của những chiếc xe Công thức 1 của Tyrrell — bắt đầu thử nghiệm với loại chất lỏng silicone dùng trong các bộ dẫn động quạt kiểu nhớt. Kết quả là khớp nối nhớt: một vỏ hình trụ chứa đầy chất lỏng silicone, giữ các bộ đĩa ma sát xen kẽ được nối với mỗi trục ra.
Visco-coupler hoat dong nhu the nao
- Trong điều kiện bình thường, khi tất cả các bánh quay ở tốc độ tương đương, các bộ đĩa hầu như không dịch chuyển tương đối với nhau và khớp nối không có tác động gì đến bộ vi sai.
- Khi một cầu bắt đầu trượt, trục ra của nó quay nhanh hơn, khiến các bộ đĩa quay tương đối với nhau và cắt trượt lớp chất lỏng silicone.
- Sự cắt trượt này làm tăng nhiệt độ và áp suất bên trong khớp nối, làm tăng vọt độ nhớt của chất lỏng.
- Sự gia tăng độ nhớt này khiến các đĩa ghì vào nhau, dần dần hãm trục quay nhanh hơn lại và khóa một phần hoặc khóa hoàn toàn bộ vi sai.
FF Developments và chiếc AMC Eagle
Sau khi được cấp bằng sáng chế cho khớp nối nhớt, Tony Rolt đã thành lập FF Developments (FFD) vào năm 1971 để bán các hệ truyền động dẫn động bốn bánh ra thương mại. Công việc buổi đầu chẳng có gì hào nhoáng: những chiếc xe van Bedford dẫn động bốn bánh cho ngành lâm nghiệp Anh, một lô xe cảnh sát Ford Zephyr FF, những chiếc sedan Opel Senator 4×4 cho phái bộ quân sự Anh ở Berlin.
Công việc sản xuất quan trọng nhất của FFD là hệ truyền động của chiếc AMC Eagle (1979–1988) — một phiên bản dẫn động bốn bánh được nâng gầm của chiếc sedan AMC Concord, trên bộ lốp lớn hơn, với thân xe được nâng thêm 75 mm. Chiếc Eagle là chiếc xe sản xuất hàng loạt đầu tiên ở bất cứ đâu khóa bộ vi sai giữa các cầu của nó bằng một khớp nối nhớt. Nó được hình thành như một chiếc xe việt dã nhẹ nhàng hơn là một chiếc xe hiệu suất cao, vậy mà kiến trúc hệ truyền động của nó lại là tổ tiên trực tiếp của một số chiếc xe dẫn động bốn bánh tốc độ cao lừng danh bậc nhất từng được chế tạo, trong đó có chiếc Subaru Impreza WRX đời đầu và chiếc Mitsubishi Lancer Evolution.
Bộ vi sai tự khóa: Từ Torsen đến điều khiển điện tử
Meo packaging cua Audi
Khi chiếc Audi Quattro bước vào sản xuất năm 1981 — hai năm sau chiếc AMC Eagle — nó sử dụng một bộ vi sai giữa các cầu kiểu mở thông thường với một khóa cưỡng bức bằng tay. Sự tinh tế trong giải pháp của Audi nằm ở cách bố trí. Động cơ đặt dọc hướng thẳng về cầu sau, và bộ vi sai giữa các cầu đi thẳng vào hộp số: trục thứ cấp được làm rỗng và trục dẫn động trước được luồn xuyên qua nó. Đội ngũ của Ferdinand Piëch đã chọn cách phân bổ đối xứng 50:50 giữa cầu trước và cầu sau.
Torsen differential
Vào năm 1984, những cần khóa bằng tay cuối cùng cũng biến mất khỏi khoang lái của Audi, được thay thế bằng bộ vi sai tự khóa Torsen — TORque SENsing (cảm biến mô-men xoắn). Những ưu điểm của nó đáng để liệt kê:
- Nó hoàn toàn cơ khí — không cần điện tử, chất lỏng hay thao tác của người lái
- Nó phản ứng theo sự thay đổi mô-men xoắn trên các trục ra thay vì theo chênh lệch tốc độ, nghĩa là nó có thể phản ứng trước khi hiện tượng trượt bánh thực sự bắt đầu
- Khác với khớp nối nhớt, nó chỉ khóa khi có lực kéo, không khóa khi phanh, khiến nó hoàn toàn tương thích với ABS
- Việc khóa và nhả diễn ra mượt mà và liên tục, không có những chuyển đổi nhị phân
Sau khi tự chứng minh mình trên những chiếc xe tốc độ cao, Torsen được các kỹ sư SUV theo đuổi khả năng vận hành giống xe con đón nhận. Ngày nay nó được sử dụng trên chiếc Range Rover, chiếc Volkswagen Touareg, chiếc Porsche Cayenne và chiếc Toyota Land Cruiser Prado.
Group B và cuộc chạy đua vũ trang trong đua rally
Trở lại thập niên 1980, sự thống trị của Quattro trong đua rally đã châm ngòi cho một cuộc chạy đua vũ trang về hệ dẫn động bốn bánh. Chỉ trong vài mùa giải, tất cả những chiếc xe đua rally dẫn động bốn bánh này đều đã xuất hiện, mỗi chiếc đều dùng công nghệ khớp nối nhớt của FFD trong các bộ vi sai tự khóa của nó:
- Peugeot 205 T16
- Austin Metro 6R4
- Lancia Delta S4
- Ford RS200
Stuart Rolt, con trai của Tony, phụ trách các mối quan hệ của FFD với những đội đua rally trong suốt những năm đó.
Vào đầu thập niên 1990, nhà máy AZLK ở Nga cũng tìm đến FFD, mong muốn một phiên bản đua rally dẫn động bốn bánh của chiếc Moskvitch 2141. Được xây dựng quanh cùng bố cục ba bộ vi sai như chiếc Ford RS200, chiếc xe thử nghiệm vận hành với khả năng dự đoán đáng kể trong những điều kiện khắc nghiệt. Quá trình thử nghiệm đã phát hiện ra một nguyên lý vẫn còn đúng đến nay: điều chỉnh độ cứng khóa của từng khớp nối nhớt một cách riêng lẻ và sự cân bằng của chiếc xe sẽ dịch chuyển theo.
- Bộ vi sai giữa các bánh sau càng cứng → càng có xu hướng thừa lái
- Bộ vi sai trước hoặc bộ vi sai giữa các cầu càng cứng → càng thiếu lái và ổn định
Electronic control xuat hien
Chính khả năng tinh chỉnh đó là lý do vì sao những chiếc xe WRC hiện đại sử dụng các bộ ly hợp nhiều đĩa điều khiển điện tử thay vì các khớp nối nhớt thụ động trong cả ba bộ vi sai. Các bộ chấp hành thủy lực và một máy tính trên xe thay đổi mức khóa của từng bộ vi sai theo thời gian thực — nhả các ly hợp ra khi vào cua để chiếc xe xoay tự do, rồi siết chúng lại dần khi người lái tăng tốc ra đoạn thẳng, nhằm đạt lực kéo tối đa mà không bị thiếu lái.
Hai nhà sản xuất đã tiên phong đưa các bộ vi sai điều khiển điện tử vào những chiếc xe đường trường:
- Mercedes-Benz 4Matic (1986, W124 E-Class): Ba ly hợp điều khiển điện tử lần lượt kết nối cầu trước, sau đó khóa bộ vi sai giữa các cầu, rồi khóa bộ vi sai sau tùy theo điều kiện đòi hỏi. Hệ thống này hiệu quả nhưng quá phức tạp, và bộ điện tử có thể khiến các bánh trước kết nối rồi ngắt kết nối một cách dễ nhận thấy trên các bề mặt rời rạc.
- Porsche 959 (1986): Hai ly hợp điều khiển điện tử hoạt động qua bốn chế độ lái có thể lựa chọn. Hệ thống của chiếc 959 tinh vi hơn và phù hợp hơn với mục đích sử dụng hiệu suất cao.
Thay thế bộ vi sai: Haldex và các hệ thống AWD được đơn giản hóa
Visco-coupler dung mot minh
Trong khi các kỹ sư đua rally đẩy các bộ vi sai tự khóa đi xa hết mức có thể, thì các nhà thiết kế xe du lịch thông thường lại đi theo hướng ngược lại — loại bỏ hoàn toàn bộ vi sai giữa các cầu và đặt một khớp nối nhớt vào vị trí của nó. Chiếc Volkswagen Golf II Syncro năm 1985 là chiếc xe du lịch châu Âu đầu tiên làm điều đó, với một hệ truyền động do các kỹ sư của GKN phát triển, hãng đã mua lại FFD vào năm 1969.
Đối với sản xuất hàng loạt, sự đơn giản hóa này đã mang lại hiệu quả:
- Mẫu xe dẫn động bốn bánh dùng chung phần lớn linh kiện với phiên bản dẫn động cầu trước tiêu chuẩn, giúp giảm chi phí và độ phức tạp trong sản xuất
- Trong điều kiện bình thường, chiếc xe vận hành y hệt một chiếc xe dẫn động cầu trước
- Khi các bánh trước bị trượt, khớp nối nhớt có thể chuyển tới 70% mô-men xoắn về phía sau trong khoảng 0,2 giây
Tuy nhiên, độ trễ đó lại tạo ra một điểm yếu về khả năng vận hành. Một chiếc xe đang hành xử như xe dẫn động cầu trước, đầu xe văng rộng ra, có thể đột ngột chuyển sang đặc tính thiên về cầu sau ngay khoảnh khắc khớp nối ăn khớp — và khiến người lái trở tay không kịp. Các nhà sản xuất Nhật Bản đã thử nhiều lời giải khác nhau, trong đó có việc lắp thêm khớp nối: chiếc Nissan Sunny/Pulsar năm 1988 dùng tới ba khớp, một để gài cầu sau và mỗi bộ vi sai giữa các bánh một khớp để khóa. Chiếc Mazda Concerto 4WD còn đi xa hơn nữa, thay thế cả bộ vi sai giữa các cầu lẫn bộ vi sai giữa các bánh sau bằng các khớp nối nhớt.
Haldex clutch
Bước tiếp theo thay thế khớp nối nhớt bằng một bộ ly hợp thủy lực nhiều đĩa điều khiển điện tử — nhanh hơn nhiều, và có thể kiểm soát chính xác hơn nhiều. Ví dụ nổi tiếng nhất là khớp nối Haldex, thứ đã thay thế cho khớp nối nhớt trên chiếc Volkswagen Golf IV và các anh em cùng nền tảng của nó. Nó hoạt động như sau:
- Các cam mặt phát hiện bất kỳ chênh lệch tốc độ quay nào giữa trục trước và trục sau
- Các con lăn lăn trên bề mặt cam đẩy các piston trong những xy-lanh dạng vòng, bơm chất lỏng thủy lực
- Áp suất chất lỏng nén bộ ly hợp nhiều đĩa lại, chuyển mô-men xoắn tới cầu sau
- Một van điện từ, được điều khiển bởi hệ thống điện tử của xe, có thể xả áp suất tại bất kỳ thời điểm nào — cho phép phân bổ mô-men xoắn biến thiên vô cấp
Hầu hết các xe dẫn động bốn bánh và crossover đang được bán hiện nay đều dùng một biến thể nào đó của bộ ly hợp điều khiển điện tử này, dù đó là Haldex trên các xe của Tập đoàn Volkswagen, VTM-4 của Honda hay xDrive của BMW. Các bộ ly hợp hiện đại tác động đủ nhanh đến mức độ trễ khi ăn khớp đã trở nên không thể cảm nhận được trong lái xe thông thường, và giờ đây việc hiệu chỉnh còn quan trọng hơn cả phần cứng: chiếc Golf 4Motion và chiếc Audi A3 Quattro dùng những hệ truyền động giống hệt nhau về mặt cơ khí, nhưng phần mềm khác nhau mang lại cho chiếc Volkswagen một cách phân bổ đối xứng trong khi Audi đưa 60% mô-men xoắn về phía trước để có được đặc tính dẫn động cầu trước quen thuộc hơn.
Công nghệ AWD ngày nay: Hệ thống nào là tốt nhất?
Những hệ thống bán thời gian với cầu thứ hai gài bằng tay may thay đã biến mất khỏi các xe du lịch. Những gì còn lại chia thành ba nhóm, mỗi nhóm có ưu điểm riêng:
- AWD toàn thời gian với một bộ vi sai giữa các cầu tự khóa (khớp nối nhớt như ở Subaru, Torsen cơ khí như ở Audi A4/A6/A8 Quattro và Volkswagen Phaeton, hoặc các ly hợp điều khiển điện tử như ở Mitsubishi Lancer Evo): những hệ thống tinh vi và đáng giá nhất, có khả năng cải thiện thực sự khả năng vận hành trên cả đường trường lẫn đường đua khi được hiệu chỉnh đúng cách.
- AWD toàn thời gian với một bộ vi sai giữa các cầu kiểu mở (như ở Mercedes-Benz 4Matic): dựa vào bộ điện tử chống trượt để bù đắp cho việc thiếu khả năng tự khóa. Hiệu quả trên đường trường, nhưng về mặt cơ khí thì kém chủ động hơn.
- Dẫn động cầu sau bán thời gian thông qua một ly hợp được điều khiển (Haldex, như trên Volvo, Saab và nhiều mẫu crossover của Tập đoàn Volkswagen): bố cục phổ biến nhất trên các mẫu crossover hiện đại — tiết kiệm chi phí, nhẹ, và ngày càng có khả năng cao nhờ bộ điện tử nhanh hơn.
Phân bổ mô-men xoắn theo bánh (torque vectoring), và điều gì đến sau đó
Xu hướng chủ đạo trong công nghệ dẫn động bốn bánh tiên tiến là phân bổ mô-men xoắn theo bánh (torque vectoring): không chỉ đơn thuần chia mô-men xoắn giữa các cầu, mà còn chủ động thay đổi nó giữa bánh trái và bánh phải của một cầu. Chiếc Mitsubishi Lancer Evolution X là đỉnh cao công nghệ — hệ thống S-AWC của nó kết hợp một bộ vi sai trung tâm điều khiển điện tử (ACD) với một bộ vi sai sau Active Yaw Control (AYC) có thể chuyển mô-men xoắn từ bánh sau này sang bánh sau kia. Các bộ bánh răng phụ dịch chuyển sự cân bằng một cách chủ động, trước khi mất bám, thay vì phản ứng khi một bánh đã đang quay trượt.
Trên thực tế, những khác biệt trong đời thực giữa các hệ thống hiện đại ngày càng thu hẹp khi bộ điện tử điều khiển được cải thiện. Một chiếc crossover dùng Haldex được hiệu chỉnh tốt giờ đây mang lại độ ổn định mà một bộ Torsen cơ khí hẳn đã được ngưỡng mộ vì nó từ một thế hệ trước. Đó là hướng đi — và điểm đến rất có thể chính là chiếc xe điện với bốn mô-tơ riêng cho từng bánh, mỗi mô-tơ tự định lượng mô-men xoắn của riêng nó mà hoàn toàn không cần đến hệ truyền động cơ khí nào. Điều này đưa câu chuyện quay trở lại một cách gọn ghẽ với chiếc xe điện dẫn động bốn bánh năm 1900 của Ferdinand Porsche.
Đây là một bản dịch. Bạn có thể đọc bản gốc tại đây: https://www.drive.ru/technic/4efb336400f11713001e4f54.html
Đã xuất bản Tháng Mười Một 04, 2021 • 21 phút để đọc
