本文原本是一篇直截的技術指南, 解釋開放式差速器、黏性聯軸器、Haldex 單元和自鎖差速器的差異與用處。但追溯歷史後, 結果比想像更令人驚訝。第一輛永久全輪驅動乘用車在一百多年前於荷蘭製造。而在 1935 年, 一輛四輪驅動美國賽車曾驚人地接近改變世界歷史的走向。
乘用車為何需要全輪驅動? 在 21 世紀, 答案看來很明顯: 抓地力更好, 濕滑路面的車輪打滑更少, 加速時車身更安定。四個驅動車輪就是比兩個好。然而業界等了很久才行動。汽車史學者會說, 大眾車的全輪驅動時代始於 1980 年的 Audi Quattro, 並有少數先驅, 即 1966 年的英國超跑 Jensen FF 和 1972 年的 Subaru Leone 4WD。真正的專家會補充, 早期四輪驅動 Subaru 並不是永久全輪驅動, 而是分時式。這個區別正是全部故事的核心。
分時式 4WD: 權宜解決方案
只在部分時間驅動一條車軸是一種妥協, 對道路車並不優雅。part-time 4WD 這個詞來自 SUV 和越野卡車世界。在這種佈局中, 一條車軸永久驅動, 另一條按需硬連接, 但這種硬連接只能在非鋪裝路面使用。在瀝青路面上, 系統必須完全脫開。
為何硬連接在瀝青路面上會失效
- 車輛轉彎時, 前輪行進的弧線比後輪長, 因此必須轉得更快。
- 在硬連接的全輪驅動系統中, 前輪抓地力會下降, 而後輪扭力會增加。
- 某些情況下, 前輪會產生制動力而非驅動力, 增加阻力並使轉向更困難。
- 在泥地或雪地等鬆軟表面上還可控, 但在瀝青路面上會造成嚴重傳動系統干涉和操控問題。
過彎時, 每個車輪都沿自己的弧線行進, 也必須以自己的速度旋轉。因此永久全輪驅動需要三個差速器: 兩個在各車軸的左右車輪之間, 一個在前後車軸之間, 讓前後軸可以相互獨立旋轉。
分時四驅車：從 GAZ-61 到 Subaru Leone
儘管有這些問題, 硬連接全輪驅動還是出現在少數道路車上, 但性格更接近越野卡車。在 USSR, GAZ-61 Emka 這輛六缸發動機、分時前軸的四輪驅動轎車, 早在 1938 年就小批量生產。戰後同一概念出現在越野 GAZ-M72 Pobeda 和 Moskvitch-410 上。 1972 年 Subaru Leone 4WD 完全遵循同樣邏輯: 為粗糙路面而造, 比前輪驅動 Subaru 更高, 後軸由駕駛手動接合。
Subaru Leone 4WD 旅行車（1972–1979）是以前輪驅動平台改造而成的四輪驅動車型，後軸需以手動方式接合。主要規格包括：
- 發動機選項: 1.4 公升 (72 hp) 或 1.6 公升 (80 hp)
- 車身型式：旅行車、轎車與皮卡
- 後輪驅動接合: 手排車手動; 自排車透過多片摩擦離合器自動接合
- 這種分時式佈局一直沿用到 1989 年的所有四輪驅動 Subaru
分時驅動的核心問題是, 在多數車輛一生中最常行駛的鋪裝道路上幾乎無用, 但車輛卻始終帶著分動箱、第二根傳動軸和整個額外車軸總成的重量。把分時系統變成全時系統只需多一個部件: 分動箱內的軸間差速器。
全時全輪驅動: 如何運作以及為何重要
三個差速器, 一個原則
軸間差速器是永久全輪驅動的關鍵。兩個輪間差速器讓各軸左右車輪在過彎時以不同速度轉動。軸間差速器在前軸與後軸之間做同樣工作。擁有三者的車可以在任何路面使用永久全輪驅動, 而不會使傳動系統卡死或削弱操控。
理論上很簡單, 但直到 1980 年代初, 業界仍認為全時全輪驅動對道路車沒有必要。當時的主流看法是, 在乾燥瀝青路面上轉動第二對車輪和其附屬部件, 只會增加噪音和油耗。
What the Quattro Proved
Audi Quattro 徹底改變了這種想法。全時系統始終將發動機扭力分配到四個車輪, 因而:
- 為彎道側向力留下更大的抓地餘裕
- 在彎中加速或制動時顯著提升穩定性
- 降低油門輸入引發突然轉向過度或轉向不足的風險
1980 年代後期的 Audi 80 Quattro 展示了這種佈局變得多精緻。Quattro 架構比對手 Ferguson Formula 變速系統更緊湊。從 1984 年起, Audi 裝上 Torsen 自鎖差速器, 這是純機械裝置, 對各輸出軸的扭力而非車輪速差作出反應。不像黏性聯軸器, Torsen 只在驅動牽引時鎖定, 制動時不鎖定, 因此與 ABS 完全相容, 減速時也更穩定。
值得注意的是, Range Rover (1970) 和俄羅斯 Lada Niva (1976) 通常被認為是首批配備軸間差速器的量產車, 但兩者都明確是越野車。Audi Quattro 的主張特別指的是乘用車領域的第一。
早期的四輪驅動賽車：從 Spyker 到 Bugatti
賽車設計師在 Quattro 時代之前就探索過全時全輪驅動嗎? 絕對有, 而且故事追溯得比多數人預想更早。
Porsche’s Four-Wheel-Drive Experiments
Ferdinand Porsche 戰後的第一個項目是一輛四輪驅動賽車: Cisitalia 360, 中置發動機, 配 1.5 公升十二缸發動機。不過它的前輪驅動是分時式; 駕駛在直線上接合, 入彎前再切回後輪驅動。
Porsche 其實早得多就造過四輪驅動車輛: 一輛配有四個獨立輪毂馬達的電動車, 年代可追溯到 1900 年。
The Spyker 60 HP, 1902
真正令汽車史學者震驚的, 是荷蘭製造商 Spyker 在 1902 年造出的賽車。在連制動器都只裝在後輪的時代, 這輛車已經擁有真正的全時全輪驅動, 並含軸間差速器。
Spyker 由 Spijker 兄弟於 1880 年創立, 原本製造馬車。他們的第一輛汽車出現於 1900 年, 兩年後與比利時設計師 Joseph Valentin Laviolette 合作, 製造了四輪驅動 Spyker 60 HP 賽車 (1902–1907)。它的規格對當時來說非常驚人:
- 三個差速器, 包括軸間和兩個輪間
- 三套獨立制動機構, 兩套在後輪, 一套在前傳動軸上
- 一套概念上數十年內都無人追平的四輪驅動系統
因此, 全時四輪驅動概念已有一個多世紀。四輪驅動 Spyker 製造不多, 它們價格極高, 在比賽中也未取得太大成就。到 1930 年代初, 又出現了兩個更有野心的項目。
Bugatti Tipo 53 and Miller FWD
Bugatti Tipo 53 的構想源自 Fiat 工程師 Antonio Pichetto，他在 1930 年向 Ettore Bugatti 提出這個想法。三輛車於 1932 年完工，每輛皆配備：
- 300 hp 機械增壓直列八缸發動機
- 配三個差速器的全時全輪驅動
- 與獨立安裝變速箱整合的分動箱和軸間差速器
- 兩條車軸的傳動軸都位於車輛左側
- 橫置彈簧的獨立前懸吊, 對 Bugatti 來說非常少見
Tipo 53 在礫石彎道中比同時代後輪驅動車更快, 但轉向异常沉重: 前傳動軸使用普通 Cardan 萬向節, 而不是等速萬向節。這三輛車一直參賽到 1935 年。
Miller FWD 的誕生, 部分是因為美國設計師 Harry Miller 研究過一輛特意買來拆解的前輪驅動 Bugatti。受發現啟發, Miller 在 FWD 卡車公司資助下開發了自己的四輪驅動底盤。其中一輛四輪驅動 Miller 在 1934 Indianapolis 500 中曾領先, 後因機械故障跌至第九名。
1935 年 AVUS 的險些錯過
這些車還連到汽車史上最奇特的假如之一。1935 年在 Berlin 的 AVUS 賽道比賽中, 一輛四輪驅動 Miller 正位居第三, 其直列八缸發動機災難性故障, 把碎片拋向看台。Adolf Hitler 當天就在看台上。假如哪怕一個小碎片擊中他, 第二次世界大戰以及世界歷史的走向都可能完全不同。
Ferguson Formula：改變一切的四輪驅動系統
開放式中央差速器的問題
要跟上下一章, 最好先回到開放式軸間差速器的根本限制。開放式差速器會讓一條車軸自由空轉, 而另一條完全得不到扭力。如果後輪完全失去抓地力, 前輪可以靜止, 後輪卻空轉, 差速器不會阻止這件事。
SUV 世界的答案是強制鎖定: 駕駛接合一個機構, 將差速器齒輪硬性鎖住, 把差速驅動變成剛性連接。早期 Range Rover 用過, Lada Niva 和許多越野車也用過, 第一代 Audi Quattro 同樣如此, 它在 1984 年以前需要駕駛手動鎖定中央差速器。但手動鎖定又是一種妥協: 在硬路面上必須解除, 而車輪在濕滑路上突然打滑時則完全沒有幫助。
Rolt、Dixon 與 Harry Ferguson
首具自動自鎖式軸間差速器出自英國賽車手兼工程師 Tony Rolt 之手。戰前，他與好友兼賽車同好 Fred Dixon 一同經營 Rolt/Dixon Developments 工作坊；戰後，兩人對永久性四輪驅動可能帶來的效果深感著迷。他們打造了一部名為「Crab」的實驗性四輪驅動試驗車，並於 1950 年與成功的拖拉機製造商 Harry Ferguson 攜手，成立了 Harry Ferguson Research。
Ferguson 追求的不是賽車。他想要一輛真正安全的道路車: 車輪加速時不空轉, 制動時不鎖死。Rolt 和 Dixon 從零開始設計, 車身、變速系統和動力系統都包含在內, 並請曾在 Aston Martin 任職的資深設計師 Claude Hill 擔任總工程師。實驗性 Ferguson R4 轎車經過六年工作完成, 其 1956 年規格相當不凡:
- 配自鎖軸間差速器的永久全輪驅動
- 一具水平對置四缸發動機
- 四個車輪都配碟式制動
- Dunlop MaxaRet 電機式防鎖死制動系統, 源自航空技術
深入了解 Ferguson Formula 分動箱
Ferguson Formula 變速系統的核心, 是分動箱內巧妙的自鎖機構。除了差速器, 單元還有額外齒輪組、兩個滾珠超越離合器和兩組摩擦片。正常行駛時這些元件安靜空轉。但只要一條車軸的車輪開始打滑, 產生輸出軸速差, 其中一個離合器就會接合, 把摩擦片壓向差速器齒輪, 當場將差速驅動變成剛性連接。
第二輛原型車, 1962 年 Ferguson R5 estate, 表現更好。Autocar 測試人員指出, 它在看似幾乎不可能的速度下才達到抓地極限。即便如此, 沒有製造商願意將 Ferguson 投入生產; 複雜性和成本都太高。
The Jensen FF Goes on Sale
1962 年，Tony Rolt 說服 Jensen Cars 的管理層，將 Ferguson Formula 傳動系統應用於他們即將推出的 CV8 雙門跑車及其 300 hp 的 Chrysler V8 引擎上。三年後，一部實驗性的四輪驅動 Jensen CV8 FF 已能上路行駛。
1966 年 Jensen Interceptor 取代 CV8, 除標準後輪驅動雙門車外, Jensen 還提供一個低調佩戴 FF 標誌的全輪驅動版, FF 代表 Formula Ferguson。Jensen FF 成為世界上第一輛同時結合自鎖軸間差速器和 ABS 的量產車。主要規格包括:
- 6.3 公升 Chrysler V8 大缸體引擎，輸出 325 hp
- 三速 TorqueFlite 自動變速箱或四速手動變速箱
- 非對稱扭力分配: 63% 到後軸, 37% 到前軸, 以保留後輪驅動的操控性格
- 單通道 Dunlop MaxaRet ABS
- 齒條齒輪動力轉向以及四輪碟式制動
- 最高速度 212 km/h; 0–100 km/h 需 7.7 秒; 整備重量約 1,800 kg
- 1968 年英國售價：約 £6,000——與最便宜的 Rolls-Royce 相當
- 總產量: 318 輛 (1966–1971)
當時每位汽車記者都稱讚 Jensen FF 的穩定性, 以及他們所說在濕瀝青上幾乎無限的抓地餘裕。Harry Ferguson 沒有看到這輛車: 他在 1960 年去世。
Ferguson Formula 為何重要
為何花這麼多篇幅說 Ferguson Formula? 因為 Harry Ferguson Research 是世界上第一個把全輪驅動首先視為主動安全工具, 而不是越野牽引答案的組織。
非對稱扭力分配是為了刻意對抗對稱系統的不可預測性。在濕滑彎道中給後輪驅動車太多油門, 它會可預測地轉向過度。前輪驅動車則會可預測地轉向不足。對稱全輪驅動車的答案則取決於哪條車軸抓地更差, 這既模糊又危險。將扭力偏向後軸, Ferguson Formula 讓 Jensen FF 在多數狀況下接近後驅行為。
黏性聯軸器的發明
Ferguson 機構有一個真正限制: 它的超越離合器以二進式開關運作。從開放差速器到完全鎖定是瞬間完成, 這在接合瞬間也可能造成自己的模糊。人們需要的是一個能平順改變鎖定程度的機構。
1960 年代後期, Tony Rolt 和 Derek Gardner, 後來 Tyrrell Formula 1 車隊的首席設計師, 開始試驗黏性風扇驅動中使用的矽油液。結果就是黏性聯軸器: 一個充滿矽油液的圓筒壓體, 內有交錯排列並連到各輸出軸的摩擦片組。
黏性聯軸器如何運作
- 在正常狀況下, 所有車輪以類似速度旋轉, 碟片組彼此相對幾乎不動, 聯軸器對差速器沒有影響。
- 當一條車軸開始打滑, 其輸出軸轉得更快, 使碟片組相對旋轉並剪切矽油液。
- 剪切會提高聯軸器內部的溫度和壓力, 大幅提高液體黏度。
- 黏度增加使碟片彼此拖拽, 逐步制動轉得更快的軸, 部分或完全鎖定差速器。
FF Developments 與 AMC Eagle
在為黏性聯軸器取得專利後，Tony Rolt 於 1971 年成立 FF Developments（FFD），開始商業化銷售四輪驅動傳動系統。早期的業務並不光鮮：為英國林業部門打造的四輪驅動 Bedford 廂型車、一批 Ford Zephyr FF 警車，以及供駐柏林英國軍事代表團使用的 Opel Senator 4×4 轎車。
FFD 最重要的量產工作是 AMC Eagle (1979–1988) 的變速系統, 這是 AMC Concord 轎車的加高全輪驅動版, 配更大輪胎和 75 mm 車身升高。Eagle 是全世界第一輛用黏性聯軸器鎖定軸間差速器的量產車。它的定位是輕度越野而非性能車, 但其傳動架構直接成為後來多款著名快速全輪驅動車的祖先, 其中包括早期 Subaru Impreza WRX 和 Mitsubishi Lancer Evolution。
自鎖差速器: 從 Torsen 到電子控制
Audi 的包裝技巧
Audi Quattro 在 1981 年投產, 比 AMC Eagle 晚兩年, 它使用傳統開放式軸間差速器與手動強制鎖。Audi 解決方案的優雅在於包裝。縱置發動機直指後軸, 軸間差速器直接進入變速箱: 副軸做成中空, 前傳動軸從其中穿過。Ferdinand Piëch 的團隊選擇前後 50:50 的對稱分配。
The Torsen Differential
1984 年, 手動鎖定拉桿終於從 Audi 車廂中消失, 被 Torsen, 即 TORque SENsing, 自鎖差速器取代。它的優點值得列出:
- 它完全是機械式, 不需電子裝置、液體或駕駛輸入
- 它對輸出軸扭力變化而非速差作出反應, 意味著在車輪真正打滑前就能反應
- 不像黏性聯軸器, 它只在牽引時鎖定, 制動時不鎖定, 因此與 ABS 完全相容
- 鎖定與解鎖平順連續, 沒有二進式轉換
在高性能車上證明實力後，Torsen 差速器被追求轎車般操控感的 SUV 工程師相中。如今它被應用於 Range Rover、Volkswagen Touareg、Porsche Cayenne 以及 Toyota Land Cruiser Prado。
Group B 與拉力賽的軍備競賽
回到 1980 年代, Quattro 在拉力賽的統治地位引發了一場全輪驅動軍備競賽。幾個賽季內, 以下四輪驅動拉力車陸續出現, 每輛都在自鎖差速器中使用 FFD 黏性聯軸器技術:
- Peugeot 205 T16
- Austin Metro 6R4
- Lancia Delta S4
- Ford RS200
Tony 的兒子 Stuart Rolt 在那些年負責管理 FFD 與拉力車隊的關係。
1990 年代初, 俄羅斯 AZLK 工廠也找到 FFD, 希望獲得 Moskvitch 2141 的全輪驅動拉力版。這輛實驗車以 Ford RS200 相同的三差速器佈局為基礎, 在極端狀況下操控預測性很高。測試得出一個至今仍成立的原則: 分別調整每個黏性聯軸器的鎖定剛度, 車輛平衡也會隊之移動。
- 更硬的後輪間差速器 → 更強的轉向過度傾向
- 更硬的前輪間或軸間差速器 → 更多轉向不足與穩定性
電子控制到來
這種可調性正是現代 WRC 車使用電子控制多片離合器組, 而不是在三個差速器中用被動黏性聯軸器的原因。液壓作動器和車載電腦實時改變每個差速器的鎖定, 入彎時釋放離合器讓車自由轉向, 駕駛加速出彎進入直線時再逐步夾緊, 以在無轉向不足的情況下獲得最大牽引力。
兩家製造商在道路車上率先使用電子控制差速器:
- Mercedes-Benz 4Matic (1986, W124 E-Class): 三個電子控制離合器依序接上前軸, 然後鎖定軸間差速器, 再依狀況需要鎖定後差速器。系統有效但過於複雜, 電子裝置在鬆軟表面上可能讓前輪接合與脫開的動作明顯可感。
- Porsche 959 (1986): 兩個電子控制離合器, 配合四種可選駕駛模式運作。959 的系統更精密, 也更適合高性能用途。
取代差速器: Haldex 和簡化 AWD 系統
獨立使用黏性聯軸器
當拉力工程師將自鎖差速器推到極限時, 普通乘用車設計師卻走相反方向, 他們完全刪除軸間差速器, 改把黏性聯軸器放在其位置。1985 年 Volkswagen Golf II Syncro 是第一輛這樣做的歐洲乘用車, 變速系統由 GKN 工程師開發, GKN 於 1969 年收購 FFD。
對量產而言, 簡化很有回報:
- 全輪驅動車型與標準前輪驅動版共用大多數部件, 降低製造成本和複雜度
- 在正常狀況下, 車輛的行駛方式與前輪驅動車相同
- 當前輪打滑時, 黏性聯軸器可在約 0.2 秒內把最多 70% 扭力傳到後軸
然而延遲會帶來操控風險。一輛像前輪驅動車一樣行為、車頭向外推的車, 在聯軸器接合的瞬間可能突然轉為後軸偏重的行為, 讓駕駛措手不及。日本製造商嘗試各種答案, 包括裝更多聯軸器: 1988 年 Nissan Sunny/Pulsar 用了三個, 一個接合後輪驅動, 另兩個分別鎖定各輪間差速器。Mazda Concerto 4WD 則更進一步, 用黏性聯軸器取代軸間和後輪間差速器。
The Haldex Clutch
下一步是用電子控制液壓多片離合器取代黏性聯軸器, 速度快得多, 也能更精確控制。最著名的例子是 Haldex 聯軸器, 它在 Volkswagen Golf IV 和同平台兄弟車上取代黏性聯軸器。它的運作如下:
- 端面凸輪偵測前後軸之間的任何旋轉速差
- 滾輪沿凸輪表面行進, 推動環形汽缸中的活塞, 泵送液壓液
- 液壓壓力壓緊多片離合器組, 將扭力傳到後軸
- 由車輛電子系統控制的電磁閥, 可在任何時點釋放壓力, 允許扭力無級可變分配
今天在售的多數全輪驅動車和跨界車都使用某種版本的電子控制離合器, 無論是 Volkswagen Group 車上的 Haldex, Honda VTM-4, 還是 BMW xDrive。現代離合器動作足夠快, 日常駕駛中接合延遲已幾乎無法感知, 調校現在比硬體更重要: Golf 4Motion 和 Audi A3 Quattro 使用機械上相同的變速系統, 但不同軟體讓 Volkswagen 採用對稱分配, 而 Audi 將 60% 扭力送往前軸, 帶來更熟悉的前驅性格。
今天的 AWD 技術: 哪種系統最好?
需手動接合第二軸的分時式系統已幸運地從乘用車上消失。剩下的可分為三大家族, 各有優點:
- 搭載自鎖式軸間差速器的全時四輪驅動（如 Subaru 採用的黏性聯軸器、Audi A4/A6/A8 Quattro 與 Volkswagen Phaeton 採用的 Torsen 機械式差速器，或如 Mitsubishi Lancer Evo 採用的電子控制離合器）：這是最精密、最令人滿意的系統，只要校準得當，就能在道路與賽道上真正提升操控表現。
- 配開放式軸間差速器的全時 AWD (如 Mercedes-Benz 4Matic): 依靠防滑電子系統補償缺乏自鎖的問題。道路上有效, 但機械上較不主動。
- 透過受控離合器的分時式後輪驅動 (Haldex, 如 Volvo、Saab 和各種 Volkswagen Group 跨界車): 現代跨界車最常見的佈局, 成本有效、輕量, 且因電子系統更快而能力日益提升。
扭力向量分配, 以及之後會怎樣
進階全輪驅動的主導趨勢是扭力向量分配: 不只在車軸間分配扭力, 而是主動改變同一車軸左右車輪間的扭力。Mitsubishi Lancer Evolution X 是這項技術的最高狀態; 其 S-AWC 系統將電子控制中央差速器 (ACD) 與 Active Yaw Control (AYC) 後差速器搭配, 後者可將扭力從一個後輪移到另一個。額外齒輪組會在抓地力流失前主動調整平衡, 而不是等車輪已經打滑才反應。
實際上, 隨著控制電子系統改進, 現代系統在真實世界的差異持續縮小。一輛調校良好的 Haldex 跨界車, 如今能提供一世代前機械 Torsen 會被稱讚的穩定性。這就是發展方向, 終點很可能是一輛四個獨立輪毂馬達的電動車, 每個馬達都獨立計量扭力, 完全沒有機械傳動系統。這也把故事巧妙地帶回 Ferdinand Porsche 在 1900 年的電動四輪驅動車。
這是一篇翻譯。你可以在此閱讀原文: https://www.drive.ru/technic/4efb336400f11713001e4f54.html
出版 十一月 04, 2021 • 8m
