Dẫn động 4 bánh – 4WD với phân chia mô-men xoắn điều khiển điện tử (phần 1)

Tiếp tục tìm hiểu dẫn động 4 bánh 4WD trên ô tô, trong bài viết này chúng ta sẽ tìm hiểu hệ thống phân chia mô-men xoắn điều khiển điện tử (chủ động), đây là bước tiến tiếp theo của sự phát triển hệ dẫn động 4 bánh trên ô tô.

Do nhu cầu về tính tối ưu trong phân phối mô-men đến các bánh xe, hoạt động tốt với mọi điều kiện tải, mặt đường, điều kiện lái xe khác nhau, hệ thống dẫn động 4 bánh với điều khiển điện tử ra đời.

Xem thêm: Dẫn động 4 bánh: Phân chia Mô-men xoắn kiểu Cơ khí

Porsche PSK – Porsche 959 (1987)

Ra mắt cùng với siêu xe Porsche 959 hùng mạnh vào năm 1987, Porsche-Steuer Kupplung (PSK) có lẽ là hệ thống 4WD điều khiển điện tử đầu tiên trên thế giới. Thật đáng kinh ngạc, ngay cả sau 30 năm, nó vẫn là hệ thống 4WD tiên tiến nhất từng được chế tạo. Hầu hết các hệ thống 4WD khác có sự phân chia mô-men xoắn cố định trong điều kiện lái xe bình thường (tức là không bị trượt lốp). Ngược lại, PSK có khả năng thay đổi phân chia mô-men xoắn giữa 20:80 và 50:50 trong điều kiện bình thường. Và điều này có thể được thay đổi theo từng bước. Và điều này có thể được điều khiển bởi lái xe hoặc máy tính tùy theo nhu cầu. Khi là máy tính, nó liên tục phân tích lực g-force, vị trí bướm ga, góc lái và thậm chí cả tăng áp để xác định mô-men xoắn phù hợp để tối ưu hóa lực kéo và khả năng tăng tốc. Nó hoạt động rất linh hoạt. Chỉ tiếc là không có mô hình, sơ đồ cấu tạo để có thể hiểu một cách dễ dàng.

PSK không có bộ vi sai trung tâm thông thường. Thay vào đó, nó sử dụng ly hợp nhiều đĩa để phân chia mô-men xoắn. Bộ ly hợp này có 6 cặp đĩa ma sát, mỗi cặp đĩa được điều khiển độc lập bởi máy tính và được kích hoạt bằng áp suất thủy lực, do đó chúng gần như bằng 6 ly hợp độc lập.

Để làm cho hệ thống hoạt động, trục truyền động phía trước và phía sau phải chạy với tốc độ khác nhau. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng lốp trước đặc biệt có đường kính lớn hơn lốp sau 1%. Do có sự khác biệt về tốc độ giữa trục dẫn động phía trước và phía sau, khi tác dụng áp suất thủy lực lên ly hợp thứ nhất, một lượng nhỏ mô-men xoắn sẽ truyền đến trục trước. Khóa 2 ly hợp, 3 ly hợp … và mô-men xoắn đến cầu trước tăng lên. Khi tất cả 6 ly hợp được khớp, các trục truyền động được khóa hoàn toàn, do đó sự phân chia mô-men xoắn trở thành 50:50.

Thông thường, phân chia mô-men xoắn được mặc định là 40:60 để phù hợp với phân bổ trọng lượng của 959. Trong quá trình tăng tốc mạnh, việc truyền trọng lượng sẽ làm tăng lực kéo ở lốp sau trong khi giảm độ bám đường ở bánh trước, do đó PSK sẽ điều chỉnh mức chia mô-men xoắn thành 20:80 để tận dụng tốt hơn lực kéo. Trên bề mặt trơn trượt, ngay cả trước khi xảy ra trượt lốp, nó sẽ điều chỉnh theo tỷ lệ 50:50 để tối ưu hóa độ bám đường.

Khi lốp xe bị trượt, vì PSK có thể khóa hoàn toàn, phần lớn mô-men xoắn có thể được truyền đến trục với nhiều lực kéo hơn.

Với trường hợp mất công suất và hao mòn do trượt ly hợp thì sao? Vì sự khác biệt về tốc độ là rất nhỏ, Porsche cho biết công suất hao phí không lớn hơn 0,4% công suất do động cơ tạo ra. Về độ mòn, ly hợp đã được định kích thước sao cho độ mòn là không đáng kể, do đó nó sẽ kéo dài tuổi thọ của xe.

Tuy nhiên, việc sản xuất hệ thống này rất tốn kém, do đó Porsche đã không tiếp tục sử dụng trên các mẫu xe khác. Khi Porsche giới thiệu hệ dẫn động 4 bánh cho 911 Carrera 4, hãng đã chọn một phiên bản đơn giản của PSK.

Nissan ATTESA E-TS Pro – Nissan Skyline GT-R (1989)

ATTESA E-TS viết tắt của Advanced Total Traction Engineering System for All-terrain Electronic Torque Split, hay Hệ thống kỹ thuật lực kéo tổng thể nâng cao để phân chia mô-men xoắn điện tử trên mọi địa hình, có thể là một cái tên rườm rà, nhưng nó đã mang lại cho Skyline GT-R 1989 khả năng xử lý rất nhanh nhẹn. Trên thực tế, nếu không có hệ thống 4WD thông minh này, R32 GT-R sẽ không phải là chiếc xe touring đáng gờm nhất vào thời điểm đó.

Giống như Porsche PSK, thiết kế của Nissan đã sử dụng bộ ly hợp đa đĩa điều khiển điện tử để gắn trục trước. Nhưng không giống như Porsche, các đĩa ly hợp của nó được kích hoạt bởi một mạch thủy lực duy nhất, vì vậy chúng không thể được điều khiển riêng lẻ. Sự đơn giản dẫn đến chi phí thấp hơn, kích thước nhỏ hơn và trọng lượng ít hơn. Trong việc lái xe bình thường, Skyline hoàn toàn là dẫn động cầu sau. Khi tăng tốc hoặc vào cua gấp, lúc cần nhiều lực kéo hơn, ly hợp sẽ truyền mô-men xoắn đến bánh trước. Thời gian và mức độ tương tác được điều khiển bằng máy tính sau khi phân tích các thông số như lực g-force, áp suất tăng cường, vị trí bướm ga và tốc độ của từng bánh xe được đo bằng cảm biến ABS.

Skyline GT-R có thể thiếu mô-men xoắn biến thiên vĩnh viễn của Porsche 959, nhưng trên thực tế, khả năng xử lý của nó thật đáng mong đợi, một phần nhờ vào quá trình thử nghiệm rộng rãi ở đường đua Nurburgring. Hơn nữa, cách thức bán thời gian của hệ dẫn động 4 bánh không hẳn là một điều xấu theo quan điểm của người lái xe, vì nó mang lại cảm giác lái nhanh nhẹn và không bị gián đoạn của xe RWD trong khi mang lại sức mạnh vào cua của các xe 4WD. Nói cách khác, nó là cầu nối tốt nhất của cả hai thế giới. Trên thực tế, Porsche 959 chưa bao giờ được đánh giá cao về khả năng xử lý.

Ở thế hệ tiếp theo, R33 Skyline GT-R, hệ thống đã được nâng cấp lên ATTESA E-TS Pro. Lần này, nó đã thêm một LSD chủ động vào trục sau để kích hoạt tính năng vectơ mô-men xoắn.

Subaru DCCD – Subaru Impreza WRX STi (1994)

Subaru đã sử dụng DCCD (Driver Controlled Center Differential – Bộ vi sai trung tâm được điều khiển bởi người lái) trên Impreza WRX STi của mình từ năm 1994, bắt đầu từ chiếc WRX STi Type RA đầu tiên được sử dụng làm nền tảng của xe WRC. Đây là một phần kỹ thuật rất phức tạp nhưng hiệu quả. Ban đầu nó cung cấp tỷ lệ phân chia mô-men xoắn bình thường là 35:65, hoặc 41:59 kể từ bản sửa đổi năm 2005. Hơn nữa, người lái có thể điều chỉnh thành 50:50 trong 6 bước nhỏ bằng công tắc trên bảng điều khiển trung tâm.

DCCD bao gồm 3 bộ phận chính: vi sai trung tâm hành tinh, LSD cơ khí (kiểu ly hợp) và LSD điện từ (LSD – Vi sai giới hạn trượt). Bộ vi sai hành tinh có nhiệm vụ tách truyền động tới cầu trước và cầu sau. Mô-men xoắn từ động cơ đi qua một trục rỗng đến 6 bánh răng trụ, truyền động đồng thời bánh răng mặt trời và bánh răng trong xung quanh. Vì tỷ số răng của bánh răng mặt trời và bánh răng trong là 41:59, mô-men xoắn phân chia giữa chúng cũng là 41:59. Bánh răng mặt trời và bánh răng trong lần lượt kết nối với trục dẫn động trước và sau. Lưu ý rằng khi chạy thẳng, cả hai trục truyền động đều quay cùng tốc độ, do đó tất cả các bộ phận này quay cùng nhau mà không chuyển động tương đối.

Khi xe vào cua, các bánh trước quay nhanh hơn các bánh sau. Kết quả là, sự chênh lệch tốc độ giữa bánh răng mặt trời và bánh răng trong làm cho bánh răng trụ quay và tạo ra sự chênh lệch đó. Nói cách khác, nó thực hiện công việc của một vi sai thông thường.

Bây giờ chúng ta hãy chuyển sang LSD cơ khí. Nó nằm sau vi sai hành tinh. Bản thân nó bao gồm một vài đĩa ly hợp, được kích hoạt bởi một cam mô-men xoắn gắn giữa bánh răng mặt trời và trục hành tinh. Mô-men xoắn của động cơ càng cao, cam mô-men xoắn càng đẩy các đĩa ly hợp lại với nhau (lưu ý: cam mô-men xoắn không được hiển thị trong các hình này mà nó chỉ là một phương tiện cơ khí đơn giản). Vì LSD cơ khí là cầu nối giữa trục dẫn động cầu trước và vỏ/trục dẫn động cầu sau, sự kết nối và ngắt của nó sẽ thay đổi mức độ khóa vi sai.

LSD điện từ bổ sung thêm tính năng khóa. Bằng cách điều chỉnh dòng điện đến các cuộn dây của nó, mức độ khóa ly hợp có thể được kiểm soát và đây là cách nó thực hiện 6 bước có thể điều khiển của lái xe. Khi cả hai LSD đều hoạt động ở mức tối đa, cầu trước và cầu sau hoàn toàn bị khóa lại, do đó sự phân chia mô-men xoắn sẽ là 50:50. Tất nhiên, nếu một trục chịu ít lực kéo hơn, trục kia có thể nhận được phần lớn mô-men xoắn. DCCD có thể thay đổi tỷ lệ phân chia mô-men xoắn trong lái xe bình thường, nhưng phạm vi khá hẹp, tức là từ 41:59 đến 50:50. Điều này làm cho 6 bước điều chỉnh khá thừa (chúng thực sự hữu ích hơn trên thiết kế ban đầu với phân chia mô-men xoắn 35:65).

Haldex clutch – Volkswagen 4motion (1998)

Hệ thống dẫn động Haldex-clutch 4WD được phát triển bởi công ty Thụy Điển Haldex Traction, hiện thuộc sở hữu của BorgWarner. Nó được Audi TT và Volkswagen Golf 4motion sử dụng lần đầu tiên vào cuối năm 1998. Không mất nhiều thời gian để chứng minh nó là một hệ thống hiệu quả về chi phí và đáng tin cậy, vì vậy việc sử dụng nó đã được mở rộng cho toàn bộ tập đoàn Volkswagen (đã sử dụng nó để thay thế Syncro), và sau đó là Volvo, Land Rover, Ford, v.v. Ngày nay, nó dễ dàng trở thành loại hệ thống 4WD phổ biến nhất trong ngành, chiếm vị trí do khớp nối nhớt để lại.

Hệ thống Haldex sử dụng ly hợp đa đĩa thủy lực, thường được gắn gần trục sau, để gắn trục sau khi cần thêm lực kéo. Các đĩa ly hợp được ngâm trong dầu để giảm ma sát. Hoạt động được thực hiện bởi áp suất thủy lực, được điều chỉnh bởi van điện từ dưới sự điều khiển của ECU. Thông thường các trục đầu vào và đầu ra quay cùng tốc độ (không giống như trường hợp PSK cố tình tạo ra sự khác biệt tốc độ nhỏ), vì vậy ngay cả khi ly hợp được kích hoạt, mô-men xoắn sẽ không được gửi đến trục sau. Khi bánh xe trượt xảy ra, sự chênh lệch tốc độ được tạo ra do đó ly hợp có thể truyền mô-men xoắn tới trục với lực kéo nhiều hơn. Càng ăn khớp ly hợp, càng truyền nhiều mô-men xoắn. Nếu bánh trước đang chạy với lực kéo gần bằng 0 (trượt hoàn toàn), về mặt lý thuyết, trục sau có thể nhận được 100% mô-men xoắn, nhưng trong thế giới thực, điều kiện như vậy khó có thể xảy ra.

Như đã thấy, hệ thống Haldex về cơ bản là hệ dẫn động 4 bánh bán thời gian. Trong quá trình chạy bình thường, chiếc xe hoạt động giống như FWD. Chỉ khi bề mặt trơn trượt hoặc người lái xe tăng tốc xe quá mạnh, trục sau mới hoạt động. Do đó, nó được lựa chọn nhiều hơn cho an toàn hơn là hiệu suất. Các thế hệ sau của hệ thống này có một chút chuyển mô-men xoắn ra phía sau, hay tỷ lệ phân chia mô-men xoắn 95:5, để tải trước hệ thống và phản ứng nhanh khi xảy ra trượt. Hệ thống điện thủy lực đã được cải tiến hơn nữa để tăng tốc độ phản hồi, nhưng tính chất bán thời gian phần lớn không thay đổi.

Mặt tích cực, điều này có nghĩa là ly hợp bị mài mòn tối thiểu, do đó nó có thể được làm nhỏ hơn và rẻ hơn. Bên cạnh đó, tính chất bán thời gian giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng khi không cần đến 4WD. Cả hai đều giải thích tại sao ly hợp Haldex lại có thể phổ biến như vậy.

Mitsubishi ACD – Mitsubishi Lancer Evo VII to X (2001)

Cho đến giữa những năm 2000, World Rally Championship vẫn dựa trên những chiếc xe sản xuất, do đó nó đã phát triển nhiều công nghệ hữu ích cho những chiếc xe đường trường. Một trong số đó là ACD Active Center Differential của Mitsubishi. Nó được Lancer Evo VII giới thiệu vào năm 2001 và khi kết hợp với hệ thống AYC (Active Yaw Control) gắn phía sau, đã mang đến khả năng xử lý vô song và cảm giác lái phấn khích. ACD thường phân phối mô-men xoắn 50:50 từ trước ra sau, nhưng nó có thể siết chặt vi sai bằng ly hợp đa đĩa thủy lực. Khi xe vào cua, ACD có xu hướng phân phối lượng mô-men xoắn bằng nhau cho cả hai trục bằng cách khóa ly hợp để tối đa hóa độ bám và tạo ra một chút trượt – cả hai đều rất quan trọng để ổn định xe. Ở giữa góc cua, nó có xu hướng ngắt ly hợp do đó cho phép chênh lệch tốc độ giữa bánh trước và bánh sau nhiều hơn, điều này rất quan trọng đối với sự nhanh nhẹn khi vào cua. Trong giai đoạn thoát ra, nó khóa lại để cân bằng lực kéo trên tất cả các bánh xe, do đó tối đa hóa lực kéo để kéo xe ra khỏi góc cua. Tất cả những hành động này được điều khiển bởi máy tính theo nhu cầu.

Phần cứng ACD được gắn ở trục trước, nó là một đơn vị khá nhỏ gọn nhưng tinh vi. Một bộ vi sai trung tâm mở nhận sức mạnh từ hộp số và chia tỷ lệ 50:50 (trong điều kiện bình thường) thành 2 đường, một là vi sai trước (là LSD xoắn), một là vỏ ly hợp, liên kết với trục sau. Để tiết kiệm không gian, bộ vi sai phía trước được kết hợp bên trong vỏ ly hợp. Điều này cũng cho phép ly hợp nhiều đĩa khóa chúng dễ dàng. Làm như vậy, trục trước và trục sau quay cùng tốc độ.

So với các LSD cơ khí như LSD kiểu ly hợp hoặc Torsen LSD, ACD thông minh hơn. Nó có thể đọc điều kiện đường và lái xe để xác định thời gian và tầm quan trọng của việc khóa, và nó có thể làm điều đó một cách trơn tru để tinh chỉnh việc xử lý. Hơn nữa, khi làm việc kết hợp với AYC cầu sau, nó có thể sử dụng vectơ mô-men xoắn để tạo ra hiện tượng oversteer hoặc understeer mong muốn. Điều này giải thích tại sao Lancer Evo VII to X có thể gây được tiếng vang lớn như vậy trong những năm 2000.