مکانیک سیستم‌های تمام چرخ متحرک (AWD): مقایسه دائمی، درخواستی و گشتاور برداری

تصور کنید خریداری در یک نمایشگاه خودرو در تهران یا تبریز، در حالی که برف می‌بارد، به برچسب روی شیشه ماشین خیره شده است. گزینه تمام چرخ متحرک (AWD) ۱,۸۰۰ دلار به قیمت نهایی اضافه می‌کند. برای راننده معمولی، این سه حرف یک وعده واحد را تداعی می‌کنند: وقتی برف می‌آید، ماشین حرکت خواهد کرد. اما در زیر بدنه، صنعت خودروسازی از این مخفف واحد برای توصیف واقعیت‌های مکانیکی کاملاً متفاوتی استفاده می‌کند.

تفاوت مهندسی بین این سیستم‌ها نه تنها نحوه عملکرد خودرو در یک کولاک را تعیین می‌کند، بلکه مشخص می‌کند که نگهداری آن چقدر هزینه دارد، لاستیک‌ها چقدر سریع فرسوده می‌شوند و در یک مسیر روزانه خشک چقدر سوخت مصرف می‌کند. طبق گفته انجمن مهندسان خودرو (SAE)، طبقه‌بندی این سیستم‌ها مستلزم فراتر رفتن از اصطلاحات بازاریابی و درک نحوه توزیع واقعی گشتاور در شاسی است.[1]

در اساسی‌ترین سطح، تمام چرخ متحرک (AWD) با قابلیت کارکرد مداوم روی آسفالت خشک، بدون قفل کردن پیشرانه، از چهار چرخ متحرک سنتی (4WD) متمایز می‌شود. در حالی که 4WD سنتی محورهای جلو و عقب را به هم قفل می‌کند، AWD یک دیفرانسیل مرکزی یا بسته کلاچ معرفی می‌کند که به محورها اجازه می‌دهد با سرعت‌های متفاوت بچرخند و خودرو بتواند به نرمی بپیچد.[5]

قدیمی‌ترین و قابل پیش‌بینی‌ترین معماری، AWD دائمی (Permanent AWD) است. در این تنظیمات، نیروی موتور به طور پیوسته به هر چهار چرخ هدایت می‌شود، معمولاً با یک تقسیم ثابت جلو به عقب مانند ۵۰/۵۰ یا ۴۰/۶۰. از آنجا که سیستم همیشه درگیر است، هنگام برخورد لاستیک با یخ، تأخیر صفر است؛ کشش از قبل وجود دارد و منتظر است.[4]

برای راننده‌ای که در جاده‌های کوهستانی شیب‌دار و برف‌روبی نشده رانندگی می‌کند، AWD دائمی پیش‌بینی‌پذیری بی‌نظیری ارائه می‌دهد. دینامیک خودرو صرف نظر از سطح جاده ثابت می‌ماند. با این حال، این ثبات مکانیکی یک هزینه روزانه دارد. چرخاندن دائمی یک شفت محرک سنگین، دیفرانسیل مرکزی و دو محور، کشش انگلی ایجاد می‌کند که معمولاً ۱ تا ۲ مایل در هر گالن از بهره‌وری سوخت خودرو در طول عمر آن می‌کاهد.[7]

برای حل این جریمه بهره‌وری، صنعت تا حد زیادی به سمت AWD درخواستی (On-Demand AWD) روی آورد که گاهی اوقات سیستم‌های «لغزش و چنگ‌زنی» (slip-and-grip) نامیده می‌شوند. برای بخش عمده‌ای از مسیر روزانه معمولی، یک خودروی درخواستی کاملاً به عنوان یک خودروی دیفرانسیل جلو عمل می‌کند. محور عقب به صورت مکانیکی قطع شده و در مصرف سوخت صرفه‌جویی می‌کند و سایش قطعات پیشرانه را کاهش می‌دهد.[6]

هنگامی که حسگرهای سرعت چرخ تشخیص می‌دهند که لاستیک‌های جلو در حال لغزش هستند، یک واحد کنترل الکترونیکی دستور می‌دهد که یک بسته کلاچ چند صفحه‌ای درگیر شود و گشتاور را از طریق شفت محرک به چرخ‌های عقب بفرستد. تکرارهای مدرن این فناوری می‌توانند در میلی‌ثانیه واکنش نشان دهند و شکاف بین بهره‌وری روزانه و قابلیت ضروری زمستانی را پر کنند.[2]

با این حال، ماهیت واکنشی سیستم‌های درخواستی یک محدودیت حیاتی برای خریدار ایجاد می‌کند. چرخ‌های جلو باید کشش خود را از دست بدهند تا چرخ‌های عقب بتوانند کمک کنند. در یک رمپ خروجی لغزنده بزرگراه، این لغزش لحظه‌ای می‌تواند قبل از اینکه سیستم کنترل لغزش را به دست بگیرد، باعث کم‌فرمانی (Understeer) شود. این یک مصالحه است که برای راننده‌ای طراحی شده که به کشش برای بارش‌های گاه به گاه برف نیاز دارد، نه صعودهای روزانه خارج از جاده.[4]

در بالاترین سطح سلسله مراتب مهندسی، گشتاور برداری (Torque Vectoring) قرار دارد. در حالی که سیستم‌های استاندارد نیرو را بین محورهای جلو و عقب مدیریت می‌کنند، گشتاور برداری به طور فعال نیرو را بین چرخ‌های چپ و راست مدیریت می‌کند. این امر از طریق دیفرانسیل‌های فعال پیچیده یا، امروزه رایج‌تر، استفاده هدفمند از ترمزها به دست می‌آید.[3]

تصور کنید در حال پیچیدن به چپ هستید. یک سیستم گشتاور برداری عمداً نیروی بیشتری را به چرخ‌های بیرونی سمت راست می‌فرستد و به طور فیزیکی دماغه خودرو را به داخل پیچ هل می‌دهد. این سیستم به صورت فعال عمل می‌کند و از زاویه فرمان و موقعیت پدال گاز برای توزیع گشتاور قبل از اینکه لاستیک‌ها کشش خود را از دست بدهند، استفاده می‌کند.[3]

برای مالک، گشتاور برداری یک شاسی‌بلند سنگین را به یک ماشین به طرز شگفت‌آوری چابک تبدیل می‌کند و وزن آن را در جاده‌های پرپیچ و خم پنهن می‌سازد. اما این قابلیت نیازمند سخت‌افزار گران‌قیمت، سیالات تخصصی و کالیبراسیون نرم‌افزاری پیچیده است که هم قیمت خرید اولیه و هم هزینه‌های نگهداری طولانی مدت را افزایش می‌دهد.

چشم‌انداز تمام چرخ متحرک در حال حاضر به دلیل برقی‌سازی (Electrification) در حال رادیکال‌ترین تغییر خود در یک قرن اخیر است. خودروهای برقی با قرار دادن موتورهای الکتریکی جداگانه روی محورهای جلو و عقب، محدودیت‌های مکانیکی شفت‌های محرک و دیفرانسیل‌های مرکزی را به طور کامل دور می‌زنند.[2]

این معماری «از طریق جاده» به نرم‌افزار اجازه می‌دهد تا توزیع گشتاور را با دقتی مدیریت کند که کلاچ‌های مکانیکی هرگز نمی‌توانند به آن دست یابند. یک خودروی برقی می‌تواند هزاران بار در ثانیه نیرو را به چرخ‌های منفرد تنظیم کند و به طور مؤثر مزایای کشش دائمی، بهره‌وری درخواستی و گشتاور برداری را در یک بسته واحد تعریف شده توسط نرم‌افزار ارائه دهد.[6]

در نهایت، سیستم مناسب کاملاً به واقعیت خریدار بستگی دارد. یک راننده در یک آب و هوای بارانی بهتر است از صرفه‌جویی سوخت سیستم درخواستی استفاده کند. یک راننده روستایی که با برف عمیق و مداوم روبروست، از پیش‌بینی‌پذیری AWD دائمی سود می‌برد. و برای کسانی که عملکرد را در اولویت قرار می‌دهند، گشتاور برداری همچنان استاندارد طلایی است. درک مکانیک تضمین می‌کند که پول خریدار صرف ابزار مناسب برای کار مورد نظر شود.[8]