Rodzaje i zasada działania napędów quattro w samochodach Audi

Pierwszy system quattro był niesamowicie prymitywny i w tym tkwi jego siła. Sam model o nazwie quattro też nie należy z dzisiejszego punktu widzenia do szczególnie przełomowych. Odznaczał się tylko jedną innowacją – piekielnie skutecznym, stałym napędem na cztery koła.

Przeniesienie momentu obrotowego na obie osie było realizowane za pomocą trzech tradycyjnych mechanizmów różnicowych. Dwa z nich wyposażono w ręcznie włączane blokady. Dokładnie jak w aucie terenowym.

Kierowca dźwignią mógł zablokować centralny mechanizm różnicowy, a w razie potrzeby również tylny. To proste rozwiązanie sprawiło, że stosunkowo lekki samochód (ok. 1330 kg) miał niespotykaną dotąd trakcję. Tylko wozy terenowe mogłyby się z nim równać, natomiast żadne dotąd produkowane auto osobowe nie było tak sprawne na śliskiej nawierzchni.

Zablokowanie choćby centralnego dyferencjału zmieniało charakterystykę prowadzenia, a użycie tylnej blokady było równoznaczne z utratą zwinności. Włączało się ją jednak tylko w najgorszych warunkach. Te mogły być naprawdę trudne, co potwierdzono nie tylko w tej słynnej próbie.

Rok po wprowadzeniu Audi Quattro do produkcji zastąpiono niewygodne dźwignie blokad przyciskami i systemem pneumatycznym. Znacznie ważniejszą zmianę wprowadzono jednak w 1986 roku. Stwierdzono, że zamiast międzyosiowej blokady, lepszym rozwiązaniem będzie dyferencjał o ograniczonym poślizgu.

Po raz pierwszy Audi użyło mechanizmu typu Torsen, który ma właściwość samoblokowania się w przypadku wystąpienia poślizgu na jednym z wałów względem drugiego.

Działa to tak, że 3 pary ślimacznic poruszających się po walcowych kołach przedniego i tylnego wału napędowego generują opór dyferencjału w przypadku wystąpienia różnicy prędkości obrotowej pomiędzy przednią i tylną osią. Gdy auto jedzie bez poślizgu, rozdział momentu obrotowego pomiędzy osie wynosi 50:50, ale stosunek ten może zmienić się do wartości 25:75 lub 75:25, zależnie od tego, jaki opór wystąpi na danej osi.

Mechanizm różnicowy typu Torsen pierwszej generacji stosowano nie tylko w modelu Quattro, ale także w modelach 80, 100 i RS2. W niektórych wersjach pozostawiono blokadę tylnego dyferencjału, a pożegnano się z nią na stałe dopiero wraz z pojawieniem się Torsena drugiej generacji.

Zanim jednak pojawiła się druga generacja znanego systemu quattro z Torsenem, w 1988 roku zadebiutował napęd nieco innego typu. Mowa o układzie ze sprzęgłem wielopłytkowym wspomagającym pracę międzyosiowego, planetarnego mechanizmu różnicowego. Tak jest, już w latach 80. quattro oznaczało nie tylko rozwiązanie z Torsenem. Przypominam dla jasności, że quattro to nie określenie typu napędu, a jedynie nazwa handlowa stosowana przez Audi.

Sprzęgło wielopłytkowe zadebiutowało w Audi V8. Służy do blokowania centralnego mechanizmu różnicowego, który rozdziela siłę napędową po równo na obie osie. Wcale nie jest to rozwiązanie gorsze. Przeciwnie - można wręcz powiedzieć, że to lepsza konstrukcja niż Torsen, ponieważ hydraulicznie aktywowane sprzęgło mogło niemal całkowicie zablokować mechanizm różnicowy. Dzięki temu prawie 100 proc. momentu obrotowego może trafić na jedną z osi w razie potrzeby. To jednak nie wszystkie możliwości Audi V8.

W tylnym mechanizmie różnicowym zastosowano znany już nam dyferencjał typu Torsen, który częściowo blokował się w przypadku poślizgu jednego z kół. Wówczas był to najbardziej zaawansowany napęd na cztery koła na świecie. Później, po wprowadzeniu nowszych wersji tego samochodu, powrócono do międzyosiowego Torsena. Było to i tak kapitalnym rozwiązaniem ze względu na dwa mechanizmy typu Torsen.

Po wprowadzeniu do sprzedaży modelu Audi A4, przeprowadzono niewielki lifting tradycyjnego napędu quattro z międzyosiowym mechanizmem typu torsen. Jest to system, którego konstrukcja poprawiła czas reakcji i zmniejszyła generowany przezeń hałas.

W modelu A4, ale także A6 i A8 ma on oczywiście funkcję samoblokowania częściowego, a o przyczepność poszczególnych osi dba układ nazwany EDS (elektroniczna blokada mechanizmu różnicowego), pracujący na zasadzie kontroli trakcji, przez kontrolę momentu obrotowego na kołach za pomocą hamulców. Działa tylko do prędkości 40 km/h (w wersjach S do 80 km/h). Umożliwia ruszanie z miejsca na śliskiej nawierzchni, na jakiej sam torsen nie daje rady.

Prawdziwą dużą zmianą w mechanizmie torsen było dopiero wprowadzenie jego trzeciej generacji (Torsen C) w 2005 roku, wraz z debiutem Audi S4/RS4 oraz później Audi Q7. Jego konstrukcja nadal przypomina wcześniejsze rozwiązanie, a także przekładnię planetarną. Ślimacznice nie pracują już parami, a koła słoneczne przedniego i tylnego wału napędowego mają inną konstrukcję i średnicę. Dzięki temu rozdział siły napędowej na osie w normalnych warunkach (tzn. bez poślizgu) wynosi 40:60.

Oczywiście w przypadku wystąpienia poślizgu, rozdział ten się zmienia. Na tył maksymalnie może trafić 80 proc. momentu obrotowego, natomiast na przód do 60 proc. Blokowanie umożliwia nie tylko konstrukcja kół zębatych, ale także wspomagające tarcze cierne umieszczone po obu stronach całego mechanizmu, przy obudowie. Dodatkowo osiowe mechanizmy różnicowe są wspomagane rozwiniętym systemem EDC.

Po trzech latach, do nowej generacji samochodów Audi A4 B8 oraz zupełnie nowego modelu Audi A5 przygotowano lepsze niż EDC rozwiązanie, działające na osiowy mechanizm różnicowy. Sportowy dyferencjał tylnej osi przeznaczono dla serii S i RS. Zaawansowana konstrukcja tylnego mostu ze stożkowym dyferencjałem oraz dwiema przekładniami planetarnymi, blokowanymi hydraulicznie sprzęgłami ciernymi, to ewolucja rozwiązania stosowanego w Audi V8, ale zdecydowanie dalej posunięta.

Mechanizm umożliwia wykorzystanie zasady Torque Vectoringu. Generalnie chodzi o to, by umożliwić wejście i wyjście z zakrętu z większą prędkością i zniwelować podsterowność nie za pomocą hamulców, ale lepszej przyczepności tylnej osi i przeniesienia momentu obrotowego na jedno z jej kół. Sprzęgła umieszczone na obu półosiach odpowiadają za blokowanie przekładni planetarnych i przenoszenie siły napędowej na koło o lepszej przyczepności. Rozwiązanie to jest stosowane do dziś w kilku sportowych modelach Audi, m.in. w najnowszym A4. Co ciekawe, podobne wykorzystała Honda w modelu Legend.

Gdy w 1998 roku zadebiutował kompaktowy model A3, a w planach był już sportowy, lekki samochód o nazwie TT, stało się jasne, że trzeba będzie opracować napęd na cztery koła, który będzie prosty i tani. Do tego nieduży, by zmieścił się w samochodzie z silnikiem umieszczonym poprzecznie.

W koncernie Volkswagena posiadano już odpowiednie rozwiązanie, które znamy pod nazwą Syncro. Audi zastosowało mniej więcej to samo, ale z wykorzystaniem sprzęgła firmy Haldex. Zresztą ten sam ruch wykonał Volkswagen w Golfie IV, ale zamiast quattro posłużył się nazwą 4MOTION (również nazwa handlowa).

Audi zamiast sprzęgła z pompą napędzaną mechanicznie, jak w Volkswagenach, posłużyło się jego ewolucją, czyli lepkościowym sprzęgłem wielopłytkowym, aktywowanym pompą hydrauliczną. W przeciwieństwie do tradycyjnych sprzęgieł wiskotycznych, w sprzęgle Haldex może dojść do niemal całkowitego jego zablokowania i dzieje się to znacznie szybciej i skuteczniej. Dzięki temu na jedną z osi może teoretycznie trafić nawet blisko 100 proc. momentu obrotowego (w praktyce około 80-90 proc.).

Zasada działania jest niemal identyczna jak w sprzęgle wiskotycznym, ale tu przy tylnej osi umieszczono elektroniczny sterownik (od drugiej generacji), który reguluje ciśnienie w hydraulicznej pompie, a ta blokuje sprzęgło. To z jednej strony skuteczniejsza metoda blokowania. Z drugiej jednak sama konstrukcja jest o wiele bardziej skomplikowana niż w pełni automatycznie działające sprzęgło wiskotyczne. Warto jednak zaznaczyć, że system ten rozwinięto do 5 generacji, ale o szczegółach przeczytacie w tekście poniżej:

W 2007 roku, czyli niedługo przed zastosowaniem zupełnie nowego typu mechanizmu różnicowego Torsen, zaprezentowano sportowe Audi R8. Silnik umieszczono wzdłużnie z tyłu, ale napęd na tylną oś nie wystarczył projektantom R8. Koniecznie chcieli mieć napęd quattro, czyli kompilację wszystkiego co najlepsze w Audi. Wbrew pozorom nie wybrano najbardziej zaawansowanego technicznie rozwiązania, ale najprostsze ze wszystkich, jakie kiedykolwiek pojawiło się pod nazwą quattro.

Ze względu na oszczędność masy i brak miejsca, posłużono się klasycznym sprzęgłem wiskotycznym, prostszym od stosowanego dużo wcześniej Haldexa. Nie było też potrzeby używania lepszych rozwiązań, ponieważ za przenoszenie napędu miała odpowiadać głównie tylna oś obciążona silnikiem V8 (później V10), umieszczonym centralnie z tyłu.

Zasada działania sprzęgła wiskotycznego jest wam z pewnością znana, ale przypomnę, że w uproszczeniu jest to zespół tarcz umieszczonych w obudowie, zalanej specjalnym olejem. Jego szczególną cechą jest wzrost lepkości po rozgrzaniu. Im większa jest różnica obrotów pomiędzy kołami tylnej i przedniej osi, tym większy poślizg występuje pomiędzy tarczami, a tym samym następuje wzrost temperatury i sklejenie lepkim olejem tarcz. Częściowe zablokowanie napędu umożliwia przeniesienie do 30 proc. momentu obrotowego na przód.

W normalnych warunkach różnica pomiędzy tylnym a przednim przełożeniem w Audi R8 generuje stały poślizg, co sprawia, że na przednie koła zawsze trafia ok. 15 proc. siły napędowej. Nie można tu jednak mówić o stałym napędzie na cztery koła, najwyżej o permanentnym. W drugiej generacji Audi R8 zastosowano już elektronicznie sterowane sprzęgło wielopłytkowe.

Poza sprzęgłem wielopłytkowym sterowanym elektronicznie, nadal w ofercie Audi są samochody ze stałym napędem na cztery koła, realizowanym za pomocą przekładni mechanicznych. Obecnie stosuje się dwa rozwiązania. Jednym z nich jest mechanizm różnicowy z kołem koronowym, który w 2010 roku zadebiutował w modelu RS4 i RS5. Jego zaletą jest kompaktowa konstrukcja, niska masa własna, całkowicie mechaniczne działanie (bez udziału elektroniki) oraz zdolność do przenoszenia dużego momentu obrotowego.

Mechanizm różnicowy jest niesymetryczny, zatem na przednią oś trafia 40 proc. siły napędowej. Jednak dzięki pakietowi tarcz ciernych, które pod wpływem różnicy prędkości na wałach napędowych blokują mechanizm, na przednią oś może trafić do 70 proc. momentu obrotowego, natomiast na tylną do 85 proc.

Innym rozwiązaniem, które okazuje się równie kompaktowe jak powyższe, jest Torsen CSM najnowszej generacji. Znalazł zastosowanie w topowych modelach sportowych RS6 i RS7 oraz SQ5. Obecnie to rozwiązanie trafiło do nowego Audi A4.

Rozdział momentu obrotowego jest dokładnie taki sam jak w poprzednim Torsenie, czyli tradycyjnie 40:60, a bardzo uproszczona konstrukcja wytrzymuje moment obrotowy o wartości do 900 Nm. Co ciekawe, jest ponad dwa razy lżejszy od wcześniejszego Torsena i również lżejszy niż mechanizm z kołem koronowym. Niektóre jego elementy wykonano z lekkich i drogich materiałów.

Najnowszym rozwiązaniem quattro jest system e-tron quattro oparty na dwóch zespołach napędowych, każdy dla jednej osi napędzanej. To już nie jest układ przeniesienia mocy na cztery koła w normalnym rozumieniu, lecz napęd dwusilnikowy.

Dlatego to rozwiązanie najlepiej opisuje inna nazwa. Najbardziej precyzyjnym określeniem dla tego rodzaju systemu jest napęd wirtualny.

Za napęd przedniej osi odpowiada jednostka spalinowa lub hybrydowa (motor spalinowy + elektryczny), natomiast z tyłu umieszczono silnik elektryczny. Ten dopędza tylną oś w razie potrzeby, a zarządza tym komputer sterujący układem przeniesienia napędu. Rozwiązanie to nie jest oczywiście żadną nowością. Niektórzy producenci je stosują – przykładowo Mitsubishi w Outlanderze PHEV. Jednak takiego quattro jeszcze nie było, a patrząc na wszystkie wcześniejsze konstrukcje można wierzyć, że e-tron quattro będzie najlepszy w swojej klasie.