本文最初的构想是一篇简明的技术指南——类似于”关于全轮驱动，你想知道却不知道该问谁的一切”。我们计划介绍开放式差速器与粘性耦合器或哈尔德克斯式装置的区别、自锁差速器的实际作用，以及这些知识的现实意义。然而，随着我们对历史的深入挖掘，越来越多的惊喜扑面而来。原来，世界上第一辆配备永久全轮驱动的乘用车，早在一百多年前就已在荷兰诞生。而在1935年，一辆美国四轮驱动赛车更是以令人咋舌的方式，险些改写世界历史的走向。
乘用车为什么需要全轮驱动？在21世纪，答案似乎显而易见：更强的牵引力、在湿滑路面上更少的轮胎打滑，以及在动力输出时更优异的操控性。四轮驱动本就优于两轮驱动。然而，人类却花了出人意料的漫长时间才将这一基本道理付诸实践。任何一位汽车历史学家都会告诉你，大众市场乘用车的全轮驱动时代始于1980年的奥迪Quattro。他们或许也会提到一些罕见的先驱——1966年的英国超级跑车詹森FF，以及1972年的斯巴鲁Leone 4WD。然而，真正的专家会迅速指出，早期的四轮驱动斯巴鲁根本不是永久全时四驱系统——而是分时四驱。正如我们将要解释的，这一区别至关重要。
分时四驱：一种过渡性解决方案
单一车轴的分时驱动是一种折中方案，对于公路用车而言并不算优雅。”分时四驱”这一概念起源于SUV与越野卡车领域。在这种配置中，一个车轴保持常时驱动，另一个车轴则按需刚性接合——但这种刚性接合只能在越野路况下使用。在铺装路面上，分时系统必须完全断开。原因如下：
- 当汽车转弯时，前轮行驶的弧线比后轮更长，因此必须转动得更快。
- 在刚性连接的全轮驱动系统中，前轮的牵引力会降低，而后轮的扭矩则随之增加。
- 在某些情况下，前轮实际上会产生制动力而非驱动力——增加阻力，使车辆更难转向。
- 在泥土或积雪等松散路面上，这种效应尚可应对，但在柏油路上则会导致严重的传动系扭紧和操控问题。
当汽车过弯时，每一个车轮都沿各自的弧线行驶，必须以不同的速度旋转。这正是永久全轮驱动系统需要三个差速器的原因：两个轴间差速器（每个车轴各一个），以及一个中央差速器，使两个驱动车轴能够相互独立地旋转。
尽管存在上述缺陷，刚性连接的全轮驱动确实出现在一些公路车辆上——尽管它们的性格更接近于越野卡车。例如在苏联，GAZ-61″Emka”——一款配备六缸发动机和分时前驱的四轮驱动轿车——早在1938年就开始了小批量生产。战后，类似的传动系统又出现在GAZ-M72″胜利”越野版和莫斯科人-410上。1972年的斯巴鲁Leone 4WD遵循相同的逻辑：它专为越野使用而生，车身离地间隙比标准前驱版斯巴鲁更高，并配备手动接合的后驱车轴。
斯巴鲁Leone 4WD旅行车（1972–1979年）是在前驱平台基础上改造的四轮驱动车型，配备手动接合的后驱车轴。主要规格如下：
- 发动机选项：1.4升（72马力）或1.6升（80马力）
- 车身形式：旅行车、轿车及皮卡
- 后驱接合方式：手动变速箱车型为手动接合；自动变速箱车型通过多片摩擦离合器自动接合
- 这种分时四驱配置在所有四轮驱动斯巴鲁车型上一直沿用至1989年
分时全轮驱动的核心问题在于：它在铺装公路上毫无用武之地，而大多数车辆恰恰在这种路面上行驶——然而车辆必须时刻承载分动箱、第二传动轴和副车桥总成的额外重量。不过，将分时系统升级为全时系统只需增加一个部件：分动箱中的中央差速器。
全时全轮驱动：工作原理与重要意义
中央差速器是永久全轮驱动的关键所在。两个轮间差速器——每个车轴各一个——允许每轴的左右车轮在过弯时以不同速度旋转。中央差速器在前后车轴之间执行相同的功能。配备全部三个差速器的车辆，可以在任何路面上实现永久全轮驱动，而不会产生传动系扭紧或操控损失。
原理简单明了——然而直到1980年代初，汽车业主流观点仍认为全时AWD对于公路用车而言并无必要。传统认知是：在干燥柏油路面上持续驱动第二对车轮及所有相关传动系部件，会增加噪音并浪费燃油。奥迪Quattro彻底改变了这一观念。通过将发动机扭矩始终分配至全部四个车轮，全时AWD系统能够：
- 为过弯时抵抗横向力留出更大的抓地力裕度
- 显著提升过弯中加速或制动时的稳定性
- 降低因油门输入引发突然过度转向或转向不足的风险
1980年代末的奥迪80 Quattro充分展示了这一布局的成熟程度。Quattro的传动结构比竞争对手弗格森方程式变速系统更为紧凑。自1984年起，奥迪采用了托森自锁差速器——这是一种纯机械装置，通过感应各输出轴上的扭矩变化而非轮速差异来做出响应。与基于粘性耦合器的差速锁不同，托森差速器仅在驱动工况下锁止，制动时不锁止，因此与ABS系统完全兼容，并能改善减速时的稳定性。
值得一提的是，路虎揽胜（1970年）和俄罗斯拉达Niva（1976年）通常被认为是首批搭载中央差速器的量产车型——但两者均属越野车范畴。奥迪Quattro所主张的开创者地位，特指乘用车领域。
早期四轮驱动赛车：从斯派克到布加迪
在Quattro时代之前，赛车设计师们是否探索过全时全轮驱动？答案是肯定的——而且这段历史比大多数人预想的要久远得多。
费迪南德·保时捷战后的第一个项目是一辆四轮驱动赛车：西西塔利亚360，采用中置发动机布局和1.5升十二缸发动机。然而，其前轮驱动属于分时系统——驾驶员仅在直道路段接合前驱，入弯前切换回后轮驱动。
但保时捷实际上更早就制造了一辆四轮驱动车辆：一辆配备四个独立轮毂电机的电动车，可追溯至1900年。然而，真正令汽车历史学家震惊的，是1902年由荷兰制造商斯派克打造的那辆赛车。彼时，就连刹车也仅装在后轮上，而这辆车却拥有真正的全时全轮驱动——并配备了中央差速器。
斯派克公司由斯派克兄弟于1880年创立，起初是一家马车制造商。他们的第一辆汽车于1900年问世，两年后，在比利时设计师约瑟夫·瓦伦丁·拉维奥莱特的协作下，推出了四轮驱动的斯派克60马力赛车（1902–1907年）。其规格对那个时代而言堪称超凡绝伦：
- 三个差速器——包括中央差速器和两个轮间差速器
- 三套独立制动机构——后轮两套，前传动轴一套
- 四轮驱动系统的设计理念在此后数十年间无出其右
由此可见，全时四轮驱动的概念早已超过一个世纪。四轮驱动斯派克的产量并不多——造价极为高昂，且从未取得显著的赛事成绩。此后，1930年代初又出现了两个更为雄心勃勃的AWD赛车项目：布加迪Tipo 53和米勒FWD。
布加迪Tipo 53项目由菲亚特工程师安东尼奥·皮切托发起，他于1930年向埃托雷·布加迪提出了这一构想。1932年，三辆样车相继完工，每辆车均配备：
- 300马力机械增压直列八缸发动机
- 配备三个差速器的全时全轮驱动系统
- 与独立安装变速箱集成的分动箱及中央差速器
- 两个车轴的传动轴均布置在车辆左侧
- 采用横置弹簧的前独立悬架——对布加迪而言颇为罕见
尽管Tipo 53在碎石弯道中的速度超越了同时代的后驱赛车，但由于前传动轴使用了标准万向节而非等速万向节，导致转向力过重。这三辆赛车一直参赛至1935年。
米勒FWD的诞生，部分原因在于美国设计师哈里·米勒研究了一辆专门购入拆解的前驱布加迪。受布加迪方案的启发，米勒在FWD卡车公司的赞助下，开发了自己的四轮驱动底盘。其中一辆四轮驱动米勒曾在1934年印第安纳波利斯500英里大赛中一度领跑，最终因机械故障以第九名退赛。
这些赛车还与汽车史上最奇特的”历史假设”时刻之一紧密相连。1935年，在柏林AVUS赛道的一场比赛中，一辆四轮驱动米勒正以第三名的位置行进，此时其直列八缸发动机突然发生灾难性故障，碎片飞向观众席。当时，阿道夫·希特勒正坐在那片看台上。若哪怕一小块碎片击中了他，第二次世界大战乃至整个世界历史的走向，或许将截然不同。
弗格森方程式：改变一切的AWD系统
要理解全轮驱动历史的下一个关键篇章，有必要重新审视开放式中央差速器的一个根本局限。开放式差速器允许一个车轴自由旋转，而另一个车轴则无法获得任何扭矩。若后轮完全失去附着力，前轮可能静止不动，而后轮却在空转——差速器对此无能为力。
SUV领域为此开发的解决方案是强制锁止：驾驶员手动接合一套机构，将差速器齿轮刚性锁死，使差速传动转变为固态连接。这一方案被早期路虎揽胜、拉达Niva以及众多越野车所采用——也包括第一代奥迪Quattro，其中央差速器在1984年之前均需驾驶员手动锁止。然而，手动锁止同样是一种折中：必须在硬质路面上解除，且在湿滑路面上意外打滑时无法提供保护。
第一套自动自锁中央差速器，出自英国赛车手兼工程师托尼·罗尔特之手。战前，他曾与好友兼赛车搭档弗雷德·迪克森共同经营罗尔特/迪克森开发工坊。战后，两人对永久全轮驱动的潜力产生了浓厚兴趣。在建造了一辆名为”螃蟹”的四轮驱动试验车之后，他们于1950年与成功的拖拉机制造商哈里·弗格森携手创立了哈里·弗格森研究公司。
弗格森的愿景并非一辆赛车，而是一辆真正安全的公路车辆：无论加速还是制动，车轮既不会打滑，也不会抱死。罗尔特与迪克森决心从零开始设计这样一辆车——包括车身、变速系统和动力总成。前阿斯顿·马丁经验丰富的设计师克劳德·希尔受邀出任总工程师，经过六年潜心研发，试验性的弗格森R4轿车终于完工。其规格在1956年堪称非凡：
- 配备自锁中央差速器的永久全轮驱动
- 水平对置四缸发动机
- 四轮盘式制动
- 邓禄普MaxaRet机电式防抱死制动系统，改编自航空领域
弗格森方程式变速系统的核心，是分动箱内一套精妙的自锁机构。除差速器外，该装置还集成了一套额外齿轮组、两个滚珠超越离合器和两组摩擦片。正常行驶时，这些部件静默待机。但当某一车轴的车轮开始打滑——导致输出轴转速出现差异——其中一个离合器便会接合，将其摩擦片组压紧于差速器齿轮，即刻将差速传动转变为刚性连接。
第二辆原型车——1962年的弗格森R5旅行车——性能更为出众。《汽车》杂志的测试人员指出，它在一般人看来几乎不可能的速度下才会触及附着力极限。尽管如此，没有任何制造商同意将弗格森投入量产——复杂度与成本都太高了。然而，1962年，托尼·罗尔特说服了詹森汽车公司的管理层，将弗格森方程式变速系统应用于其即将推出的CV8跑车，该车搭载一台300马力的克莱斯勒V8发动机。三年后，一辆试验性的四轮驱动詹森CV8 FF完工下线。
1966年，詹森拦截者取代了CV8——在标准后驱版跑车之外，詹森推出了一款全轮驱动版本，以低调的”FF”铭牌加以区分。詹森FF由此成为世界上第一辆将自锁中央差速器与ABS系统结合的量产车型。”FF”代表”弗格森方程式”。主要规格如下：
- 6.3升克莱斯勒V8大排量发动机，输出325马力
- 三速TorqueFlite自动变速箱或四速手动变速箱
- 非对称扭矩分配：63%输送至后轴，37%输送至前轴——以保留后驱车的操控特性
- 单通道邓禄普MaxaRet防抱死制动系统
- 齿轮齿条式液压助力转向及四轮盘式制动
- 最高时速212公里；0至100公里/时加速7.7秒；整备质量约1,800公斤
- 1968年英国售价：约6,000英镑——与最便宜的劳斯莱斯相当
- 总产量：318辆（1966–1971年）
那个时代的每一位汽车记者都对詹森FF卓越的稳定性赞不绝口，称其在湿沥青路面上拥有”近乎无限的牵引裕度”。令人遗憾的是，哈里·弗格森本人始终未能亲眼见到詹森FF——他于1960年辞世。
为何要在弗格森方程式上花费如此多的篇幅？因为哈里·弗格森研究公司是世界上第一个将全轮驱动主要视为主动安全工具的机构——而非仅仅将其视为解决越野牵引问题的手段。非对称扭矩分配是一种经过深思熟虑的选择，旨在避免对称AWD系统所固有的不可预测性。对于后驱车，在湿滑弯道中施加过多油门会导致可预期的过度转向。对于前驱车，则会产生可预期的转向不足。而对于对称AWD车辆，响应方式取决于哪个车轴的附着力最差——这可能模糊不清，甚至带来危险。通过将扭矩偏向后轴，弗格森方程式赋予了詹森FF在大多数工况下接近后驱特性的可预期操控感。
粘性耦合器的发明
弗格森方程式的自锁机构存在一个显著局限：其超越离合器以二进制的开/关方式运作。从开放差速器到完全锁止的转变是瞬间完成的，这可能在接合瞬间造成其独有的操控模糊感。真正需要的，是一种能够平滑、渐进地调节差速锁止程度的机构。
1960年代末，托尼·罗尔特与德里克·加德纳——后来成为泰雷尔F1赛车首席设计师——开始对粘性风扇驱动耦合器中使用的硅油展开试验。最终的成果便是粘性耦合器：一个充满硅油的圆筒形壳体，内含与两侧输出轴相连的交替排列摩擦片组。
其工作原理如下：
- 正常行驶时，当所有车轮转速相近，摩擦片组之间几乎没有相对运动，耦合器对差速器不产生任何影响。
- 当某一车轴开始打滑，其输出轴转速加快，导致摩擦片组之间产生相对旋转，对硅油形成剪切作用。
- 剪切作用使耦合器内部温度和压力升高，硅油的粘度急剧增大。
- 粘度的增加使摩擦片之间产生阻力，逐步制动转速较快的轴，并使差速器部分或完全锁止。
在为粘性耦合器申请专利后，托尼·罗尔特于1971年创立了FF发展公司（FFD），开始商业化供应全轮驱动变速系统。早期项目包括为英国林业服务部门提供的四驱贝德福德厢式货车、一批福特泽菲尔FF警车，以及供驻柏林英国军事使团使用的欧宝参议员4×4轿车。
FFD最重要的量产成就是为AMC鹰（1979–1988年）开发的变速系统——这是在AMC协和轿车基础上升高车身、换装更大轮胎并抬高75毫米的全轮驱动版本。AMC鹰是世界上第一款使用粘性耦合器锁止中央差速器的量产车型。尽管其定位为轻度越野车而非性能车，但其传动系统架构却成为此后一些最受推崇的性能AWD车型的直接技术源头——包括早期的斯巴鲁翼豹WRX和三菱兰瑟进化版。
自锁差速器：从托森到电子控制
奥迪Quattro于1981年正式投产——距AMC鹰发布已过去两年——彼时它搭载的是配备手动强制锁止机构的传统开放式中央差速器。奥迪方案的精妙之处在于其紧凑的布局：纵置发动机直指后轴，中央差速器直接集成于变速箱内部。变速箱的次级轴被制成空心结构，前传动轴则从中穿过。费迪南德·皮耶希的团队选择了前后50:50的对称扭矩分配。
1984年，奥迪驾驶舱内的手动差速锁拉杆终于成为历史，取而代之的是托森（TORque SENsing，扭矩感应）自锁差速器。托森差速器具备以下几项关键优势：
- 纯机械结构——无需电子元件、液体或驾驶员干预
- 通过感应输出轴扭矩变化而非转速差异做出响应，意味着它能在轮胎打滑实际发生之前提前介入
- 与粘性耦合器不同，它仅在驱动工况下锁止，制动时不锁止，与ABS系统完全兼容
- 锁止与解锁过程平顺连续，无任何突兀的二进制切换
托森差速器在提升性能车操控性与稳定性方面的卓越表现，后来吸引了追求轿车般驾驶动态的SUV工程师们的目光。如今，它已被应用于路虎揽胜、大众途锐、保时捷卡宴和丰田陆地巡洋舰普拉多等多款车型的变速系统中。
回到1980年代，奥迪Quattro在拉力赛中的统治地位引发了B组竞争对手之间的全轮驱动军备竞赛。短短数个赛季内，以下四轮驱动拉力赛车相继登场——均采用FFD粘性耦合器技术作为自锁差速器：
- 标致205 T16
- 奥斯汀Metro 6R4
- 兰西亚Delta S4
- 福特RS200
托尼之子斯图尔特·罗尔特在此期间负责管理FFD与各拉力车队之间的合作关系。
1990年代初，俄罗斯的AZLK工厂也找到了FFD，委托其开发莫斯科人2141的全轮驱动拉力赛车版本。采用与福特RS200相同的三差速器布局，这辆试验性四驱莫斯科人在极端工况下展现出了令人瞩目的可预期操控特性。测试揭示了一项重要规律：通过分别调整每个粘性耦合器的锁止刚度，工程师可以在较大范围内调整车辆的操控平衡：
- 后轮间差速器刚度越大→过度转向倾向越强
- 前轮间或中央差速器刚度越大→转向不足与稳定性越强
正是这种可调性，促使现代WRC拉力赛车在全部三个差速器位置上均采用电子控制多片离合器组，而非被动式粘性耦合器。液压执行器与车载计算机可实时调节每个差速器的锁止程度——入弯时释放离合器，让车辆自由旋转；驾驶员加速驶离弯道时，则逐步夹紧离合器，在避免转向不足的同时最大化牵引力。
两家制造商率先在量产车上引入了电子控制差速器：
- 梅赛德斯-奔驰4Matic（1986年，W124 E级）：三个电子控制离合器依次接合前轴、锁止中央差速器，再锁止后差速器。系统有效，但过于复杂，且电子系统在松散路面上可能导致前轮接合与断开的感知明显。
- 保时捷959（1986年）：两个电子控制离合器，提供四种可选驾驶模式。959的系统更为精密，更适合高性能应用场景。
替代差速器：哈尔德克斯与简化AWD系统
当拉力赛工程师们将自锁差速器推向极限时，主流乘用车的设计师们却走向了另一个方向——彻底取消中央差速器，仅以单一粘性耦合器加以替代。1985年的大众高尔夫II Syncro是欧洲第一款采用这一方案的乘用车。该变速系统由GKN的工程师开发，GKN于1969年收购了FFD。
简化的粘性耦合器布局为大批量生产提供了明显优势：
- 四驱版本与标准前驱版本共享绝大多数部件，降低了制造成本与复杂度
- 正常行驶时，车辆的驾驶感受与前驱车完全一致
- 当前轮打滑时，粘性耦合器可在约0.2秒内将最多70%的扭矩传递至后轴
然而，这种延迟接合带来了一个操控隐患：一辆起初表现如前驱车（前端推头）的车辆，可能在粘性耦合器接合瞬间突然转变为偏向后驱的特性，令驾驶员猝不及防。日系制造商探索了各种解决方案，包括安装多个粘性耦合器——某些车型，如1988年的日产阳光/脉星，使用了三个：一个用于接合后驱，另外两个分别锁止前后轮间差速器。马自达协和4WD走得更远，在中央差速器和后轮间差速器位置均使用了粘性耦合器。
下一个进化步骤是以电子控制液压多片离合器取代粘性耦合器——这是一种响应更快、控制更精确的装置。哈尔德克斯耦合器取代粘性耦合器装备于大众高尔夫IV及其同平台兄弟车型，是这一技术最广为人知的代表。其工作原理如下：
- 端面凸轮检测前后轴之间的转速差
- 骑在凸轮面上的滚子推动环形缸体内的活塞，泵送液压油
- 液压油压力压紧多片离合器组，将扭矩传递至后轴
- 由车辆电子系统控制的电磁阀可在任意时刻释放压力——实现无级可变的扭矩分配
如今，大多数AWD乘用车和跨界车采用的都是这种电子控制离合器架构的某种变体——无论是大众集团车型上的哈尔德克斯、本田的VTM-4，还是宝马的xDrive。现代离合器系统的响应速度已将接合延迟缩短至日常驾驶中几乎无法感知的程度。控制软件的标定调校如今比硬件本身更为关键：高尔夫4Motion与奥迪A3 Quattro使用机械上完全相同的变速系统，但不同的软件赋予了大众车型对称的扭矩分配，而奥迪的标定则将60%的扭矩输送至前轴，以呈现更熟悉的前驱驾驶特性。
当今AWD技术：哪种系统最优？
配备手动接合第二车轴的分时全轮驱动系统已从乘用车上销声匿迹，这实在令人欣慰。现存的几种架构各有其优势：
- 配备自锁中央差速器的全时AWD（粘性耦合器型如斯巴鲁，托森机械型如奥迪A4/A6/A8 Quattro和大众辉腾，或电子控制离合器型如三菱兰瑟进化版）：最为精密、驾驶乐趣最丰富的系统，在经过合理标定后，能够在公路与赛道上真正提升操控表现。
- 配备开放式中央差速器的全时AWD（如梅赛德斯-奔驰4Matic）：依靠防滑电子系统弥补自锁功能的缺失。公路行驶效果出色，但机械层面的主动性相对不足。
- 通过受控离合器实现的分时后驱（哈尔德克斯型，如沃尔沃、萨博及大众集团旗下多款跨界车）：现代跨界车中最普遍的布局——成本效益高、重量轻，且随着电子技术的进步性能日益出众。
先进AWD技术的主导趋势是扭矩矢量控制——不仅在前后轴之间分配扭矩，更能主动调节同一车轴左右车轮之间的扭矩分配。三菱兰瑟进化版X代表了这一技术的最高水准：其S-AWC系统将电子控制中央差速器（ACD）与主动偏航控制（AYC）后差速器相结合，后者能够独立地在两后轮之间转移扭矩。额外的齿轮组还可在失去附着力之前主动调整扭矩分配——而非在轮胎打滑已然发生后才被动响应。
从实际角度而言，随着电子控制技术日趋成熟，现代各类AWD系统之间的真实驾驶差异正在持续缩小。一套标定精良的哈尔德克斯系统在跨界车上所呈现的稳定性，在上一代人看来或许会令机械式托森差速器都相形见绌。这，终究是这项技术的演进方向——而其终点，或许正是那辆配备四个独立轮毂电机、无需任何机械传动系统、每个车轮都能获得精确扭矩控制的纯电动汽车。
本文为译文。原文请见：https://www.drive.ru/technic/4efb336400f11713001e4f54.html
出版 十一月 04, 2021 • 7m
