حسگر گشتاور در برابر حسگر لغزش: دیفرانسیل‌های مختلف چگونه نیرو را در خودروهای تمام‌چرخ محرک توزیع می‌کنند

هنگامی که یک آکورا MDX Type S مدل ۲۰۲۲ از پیچی با کشش پایین عبور می‌کند، سیستم انتقال قدرت آن به سادگی هر چهار چرخ را به طور مساوی نمی‌چرخاند. در عوض، یک واحد کنترل الکترونیکی زاویه فرمان، سرعت چرخ و انحراف (yaw) را کنترل کرده و به صورت پویا نیرو را به چرخ‌های بیرونی منتقل می‌کند تا خودرو را در پیچ به جلو براند.

این توزیع مجدد و فعال نیرو که به عنوان «توزیع گشتاور» (torque vectoring) شناخته می‌شود، نشان‌دهنده اوج مهندسی مدرن در سیستم‌های تمام‌چرخ محرک (AWD) است؛ حوزه‌ای که نیم قرن در تلاش برای حل یک مسئله فیزیکی واحد بوده است: چگونه می‌توان تکانه رو به جلو را زمانی که تک‌تک لاستیک‌ها چسبندگی خود را به جاده از دست می‌دهند، حفظ کرد.

راه‌حل‌های مکانیکی برای این مسئله، صنعت خودروسازی را به دو فلسفه مهندسی متمایز تقسیم می‌کند. در یک سو، سیستم‌های حساس به گشتاور قرار دارند که برای تغییر مسیر فوری نیرو در لحظه تغییر مقاومت، به اصطکاک فیزیکی چرخ‌دنده‌های داخلی متکی هستند.

در سوی دیگر، معماری‌های حساس به لغزش قرار دارند که عمدتاً در حالت دوچرخ محرک کار می‌کنند تا زمانی که چرخش هرز چرخ‌ها، یک کلاچ الکترونیکی یا هیدرولیکی را مجبور به درگیر کردن محور ثانویه کند. نحوه انتخاب یک خودروساز بین این دو رویکرد، نه تنها هزینه تولید خودرو، بلکه رفتار اساسی آن را در باران، برف و رانندگی با عملکرد بالا تعیین می‌کند.[2]

برای درک این تفاوت، ابتدا باید به دیفرانسیل باز پایه نگاه کرد. هنگامی که یک خودرو در یک خط مستقیم حرکت می‌کند، چرخ‌های هر دو طرف با سرعت یکسانی می‌چرخند. با این حال، در طول یک پیچ، چرخ‌های بیرونی قوس بازتری را طی می‌کنند و باید سریع‌تر از چرخ‌های داخلی بچرخند.

یک دیفرانسیل باز این اختلاف سرعت را امکان‌پذیر می‌کند، اما در محیط‌های با کشش پایین یک نقص مهلک دارد: نیرو مسیر با کمترین مقاومت را دنبال می‌کند. اگر یک چرخ روی تکه‌ای یخ قرار گیرد، دیفرانسیل باز تمام گشتاور موجود موتور را به همان چرخ در حال چرخش هرز می‌فرستد و لاستیکی را که چسبندگی واقعی دارد، کاملاً بدون نیرو رها می‌کند.[3]

سیستم‌های حساس به گشتاور، که مشهورترین نمونه آن دیفرانسیل تورسن (Torsen) است، برای از بین بردن این آسیب‌پذیری بدون اتکا به حسگرهای خارجی طراحی شده‌اند. دیفرانسیل تورسن که در اواخر قرن بیستم توسعه یافت و توسط سیستم‌های اولیه کواترو (Quattro) آئودی به محبوبیت رسید، از آرایش پیچیده‌ای از چرخ‌دنده‌های حلزونی و چرخ‌حلزون‌ها استفاده می‌کند. بر اساس مستندات مهندسی کالج مجازی یورو‌موتور (EuroMotor Virtual College)، این هندسه خاص چرخ‌دنده، زمانی که یک محور شروع به از دست دادن کشش می‌کند، اصطکاک داخلی ایجاد می‌کند.[3][4]

از آنجا که یک چرخ‌دنده حلزونی می‌تواند یک چرخ‌حلزون را بچرخاند، اما چرخ‌حلزون نمی‌تواند چرخ‌دنده حلزونی را به حرکت درآورد، دیفرانسیل تورسن ذاتاً زمانی که اختلاف سرعت از نسبت سوگیری طراحی‌شده‌اش فراتر رود، قفل می‌شود. این عمل قفل شدن، به طور مکانیکی گشتاور را از چرخ در حال لغزش دور کرده و آن را به محوری با مقاومت بیشتر - یعنی محوری که کشش دارد - هدایت می‌کند. این واکنش آنی است و کاملاً توسط قوانین فیزیک اداره می‌شود، نه یک پردازنده سیلیکونی.[3][4]

مزیت اصلی معماری حساس به گشتاور، پاسخ‌دهی بدون تأخیر آن است. از آنجا که این سیستم به طور دائم درگیر و از نظر مکانیکی واکنش‌پذیر است، نیرو پیش از آنکه چرخ بتواند حتی کسری از یک دور را بدون چسبندگی کامل کند، منتقل می‌شود.

پایگاه AWD Wiki خاطرنشان می‌کند که این انتقال پیوسته نیرو، خودروهای مجهز به تورسن را در مرز چسبندگی بسیار پیش‌بینی‌پذیر می‌سازد، و به همین دلیل است که این معماری همچنان یکی از ارکان اصلی در سدان‌های عملکردی با موتور طولی و پلتفرم‌های اختصاصی آفرود باقی مانده است.[4]

با این حال، سیستم‌های مکانیکی حساس به گشتاور معایب مشخصی نیز دارند. ماشین‌کاری پیچیده مورد نیاز برای چرخ‌دنده‌های حلزونی، تولید دیفرانسیل‌های تورسن را گران می‌کند. علاوه بر این، از آنجا که آنها به طور دائم درگیر هستند، باعث اتلاف مداوم و مزاحم در سیستم انتقال قدرت شده و بازده کلی سوخت را کاهش می‌دهند.

مهم‌تر از همه، یک دیفرانسیل تورسن کاملاً مکانیکی برای عملکرد به حداقل مقداری مقاومت در هر دو محور نیاز دارد؛ اگر یک چرخ کاملاً در هوا معلق باشد و کشش آن صفر باشد، قفل شدن چرخ‌دنده نمی‌تواند آغاز شود و سیستم مانند یک دیفرانسیل باز عمل می‌کند.[2][4]

سیستم‌های حساس به لغزش به عنوان جایگزینی سبک‌تر و کم‌مصرف‌تر، به‌ویژه برای خودروهایی با موتورهای نصب‌شده به صورت عرضی، پدیدار شدند. این سیستم‌ها که اغلب با کوپلینگ هالدکس (Haldex) - که به طور گسترده توسط گروه خودروسازی فولکس‌واگن استفاده می‌شود - مرتبط هستند، معادله سیستم‌های تمام‌چرخ محرک را اساساً تغییر می‌دهند. در شرایط عادی و جاده‌های خشک، یک خودروی مجهز به سیستم حساس به لغزش تقریباً به طور کامل در حالت دوچرخ محرک کار می‌کند و معمولاً ۹۰ تا ۹۵ درصد از نیروی موتور را به چرخ‌های جلو می‌فرستد.[2]

نیرو تنها زمانی به محور عقب می‌رسد که یک مجموعه کلاچ خیس چندصفحه‌ای درگیر شود. در نسخه‌های اولیه، این درگیری کاملاً واکنشی بود. هنگامی که حسگرهای سرعت چرخ تشخیص می‌دادند که چرخ‌های محرک اولیه سریع‌تر از چرخ‌های ثانویه می‌چرخند، یک پمپ هیدرولیک به مجموعه کلاچ فشار وارد می‌کرد، میل‌گاردان را قفل کرده و تا ۵۰ درصد از گشتاور موجود را به محور عقب می‌فرستاد.

این معماری باعث صرفه‌جویی در مصرف سوخت در هنگام حرکت در بزرگراه می‌شود و به فضای فیزیکی بسیار کمتری نسبت به یک دیفرانسیل مرکزی مکانیکی نیاز دارد.[1][2]

نقد تاریخی به سیستم‌های حساس به لغزش، تأخیر ذاتی آنها بوده است. از آنجا که سیستم باید پیش از واکنش، لغزش را تشخیص دهد، مدل‌های اولیه اجازه می‌دادند تا پیش از درگیر شدن چرخ‌های عقب، افت لحظه‌ای کشش رخ دهد؛ تأخیری که رانندگان حرفه‌ای آن را ناخوشایند می‌دانستند. با این حال، واحدهای کنترل الکترونیکی مدرن تا حد زیادی این شکاف را از بین برده‌اند. سیستم‌های حساس به لغزش امروزی به جای اینکه صرفاً واکنشی باشند، پیشگیرانه عمل می‌کنند.[1]

با نظارت بر موقعیت دریچه گاز، زاویه فرمان و شتاب جانبی، کنترل‌کننده‌های مدرن می‌توانند از دست رفتن کشش را پیش‌بینی کنند. همان‌طور که در تحقیقات منتشر شده توسط MDPI در مورد روش‌های تخصیص کنترل برای سیستم‌های AWD به تفصیل بیان شده است، الگوریتم‌های پیشرفته اکنون به طور پیشگیرانه کوپلینگ مرکزی را در طول شتاب‌گیری تهاجمی یا پیچیدن تند قفل می‌کنند و عملاً سیستم تمام‌چرخ محرک را پیش از وقوع هرگونه لغزش فیزیکی درگیر می‌سازند.

این رویکرد نرم‌افزارمحور به مهندسان اجازه می‌دهد تا ویژگی‌های هندلینگ خودرو را به صورت پویا تنظیم کرده و توزیع گشتاور را بر اساس حالت رانندگی انتخاب‌شده تغییر دهند.[1]

تکامل کنترل الکترونیکی در توزیع فعال گشتاور به اوج خود رسیده است. در حالی که سیستم‌های سنتی AWD نیرو را بین محورهای جلو و عقب مدیریت می‌کنند، دیفرانسیل‌های توزیع‌کننده گشتاور به طور مستقل نیرو را بین چرخ‌های چپ و راست توزیع می‌کنند. موسسه جی.دی.

پاور (J.D. Power) خاطرنشان می‌کند که توزیع گشتاور مبتنی بر دیفرانسیل از کلاچ‌های چندصفحه‌ای در دو طرف محور استفاده می‌کند. هنگام پیچیدن، سیستم به صورت الکترونیکی کلاچ بیرونی را درگیر می‌کند و چرخ بیرونی را با سرعت بیشتری می‌چرخاند تا انحراف (yaw) ایجاد کرده و به طور فیزیکی دماغه خودرو را به داخل پیچ هدایت کند.

این سطح از کنترل دقیق، دینامیک خودرو را دگرگون می‌کند. سیستم انتقال قدرت به جای اینکه صرفاً از چرخش هرز چرخ جلوگیری کند، به طور فعال در فرمان‌پذیری کمک می‌کند. این سیستم می‌تواند فوراً از توزیع ۵۰/۵۰ چپ-راست در یک مسیر مستقیم، به ارسال بخش عمده گشتاور محور به یک چرخ بیرونی منفرد در طول یک مانور با سرعت بالا تغییر حالت دهد. نتیجه این امر، کاهش چشمگیر کم‌فرمانی (understeer) و آستانه بالاتر برای چسبندگی جانبی است.[1]

گذار به خودروهای الکتریکی (EVs) در حال حاضر قوانین را برای هر دو معماری حساس به گشتاور و حساس به لغزش بازنویسی می‌کند. موتورهای احتراق داخلی برای توزیع نیرو از یک پیشرانه متمرکز واحد، به دیفرانسیل‌های مکانیکی و میل‌گاردان‌های پیچیده نیاز دارند. در مقابل، خودروهای الکتریکی می‌توانند از چندین موتور مستقل استفاده کنند.

جی.دی. پاور تأکید می‌کند که توزیع گشتاور الکتریکی نشان‌دهنده جدیدترین شکل این فناوری است و خاطرنشان می‌کند که «این پیکربندی خالص‌ترین شکل توزیع گشتاور را امکان‌پذیر می‌سازد، زیرا هر چرخ کنترل فردی را با دریافت تا ۱۰۰ درصد از گشتاور موجود در اختیار دارد.»

در یک خودروی الکتریکی چندموتوره، بحث بین قفل شدن مکانیکی و درگیری کلاچ هیدرولیکی منسوخ می‌شود. نرم‌افزار کنترل خودرو به سادگی یک خروجی گشتاور خاص را برای هر گوشه از خودرو فرمان می‌دهد و این انتقال را صدها بار در ثانیه تنظیم می‌کند. این معماری به پاسخ‌دهی بدون تأخیر یک دیفرانسیل تورسن دست می‌یابد، در حالی که از انعطاف‌پذیری پویای پیشرفته‌ترین مجموعه‌های کلاچ حساس به لغزش نیز فراتر می‌رود.[1]

برای نسل فعلی خودروهای احتراق داخلی و هیبریدی، انتخاب بین سیستم‌های حساس به گشتاور و حساس به لغزش همچنان به نوع کاربرد بستگی دارد. کامیون‌های سنگین و پلتفرم‌های طولی ممتاز همچنان از واکنش فوری و مکانیکی شکست‌ناپذیر چرخ‌دنده‌های حساس به گشتاور بهره می‌برند. در همین حال، اکثریت قریب به اتفاق کراس‌اوورها و معماری‌های موتور عرضی به کارایی در بسته‌بندی و سازگاری نرم‌افزارمحور کلاچ‌های حساس به لغزش متکی هستند.[2][5]

مسیر مهندسی روشن است: پیچیدگی مکانیکی به طور پیوسته جای خود را به اقتدار محاسباتی می‌دهد. با پیچیده‌تر شدن الگوریتم‌های کنترلی و جایگزینی موتورهای الکتریکی به جای میل‌گاردان‌های مکانیکی، چرخ‌دنده‌های فیزیکی که زمانی عملکرد سیستم تمام‌چرخ محرک را تعریف می‌کردند، در حال جایگزینی با کدهای نرم‌افزاری هستند. داور نهایی کشش دیگر اصطکاک بین دو سطح فلزی نیست، بلکه سرعت پردازش سیلیکونی است که بر آنها نظارت می‌کند.[1][5]