AWD یا 4WD؟ سیستم انتقال نیرو دو دیفرانسیل به زبان ساده

۷ اسفند ۱۳۹۹ AWD یا 4WD؟ سیستم انتقال نیرو دو دیفرانسیل به زبان ساده

صنعت خودرو با پیشرفت روزمره خود هم به حجم پیچیدگی‌هایش می‌افزاید و هم در عین حال برخی از المان‌های قدمی خود را کنار می‌گذارد. اگر این صنعت را با گذشته‌اش مقایسه کنیم امروز بدون شک پیچیده‌تر از 50 سال پیش است اما وقتی در زمان حال آن را زیر نظر می‌گیریم، تغییرات فنی آن به مراتب قابل درک و ساده‌تر است.

تحلیل سیستم انتقال نیرو در خودروها در حالت کلی سه نوع رایج متحرک عقب (RWD)، متحرک جلو (FWD) و چهار چرخ متحرک (AWD) را دربر می‌گیرد که هر یک به نوبه خود عملکرد خاص و منحصر به فردی دارند و ممکن است به زیرشاخه‌های متمایزی تقسیم شوند. اما اول باید مشخص کنیم که منظور از سیستم انتقال نیرو چیست و چرا صنعت خودرو در طول عمر دراز خود تا این اندازه به این سیستم تنوع بخشیده است.

فروش فوری خودرو

  • سه سیستم رایج انتقال نیرو در خوروهای پیشرانه جلو. از بالا به پایین: FWD، RWD و 4WD

 

سیستم انتقال نیرو یا Drivetrain

سیستم انتقال نیرو یا Drivetrain

یک خودرو برای به حرکت درآمدن نیازمند یک نیرو پیشرانش است که مستقل از نوع، نیازمند مجموعه‌ای از تجهیزات است تا توان و گشتاور تولیدی خود را به منظور غلبه بر اصطکاک، به چرخ‌ها منتقل کند. به مجموعه تجهیزاتی که به این منظور در مسیر پیشرانه تا چرخ‌ها قرار می‌گیرد سیستم انتقال نیرو یا Drivetrain می‌گویند.

آنچه در این مقاله مورد بررسی قرار می‌دهیم سیستم انتقال نیرو رایج خودروهای امروزی آن هم از نوع دو دیفرانسیل، چهار چرخ متحرک یا تمام چرخ متحرک (AWD) است. سیستمی که قادر است تمام چرخ‌های خودرو را به صورت همزمان به گردش درآورده و حداکثر میزان کشش یا Traction را برای غلبه بر اصطکاک به وجود آورد.

این سیستم چه در ساده‌ترین حالت و چه در پیچیده‌ترین حالت، از ابتدایی‌ترین اصول فیزیک و مکانیک بهره می‌برد که خوشبختانه به سادگی قابل توضیح و درک است. سوالی که معمولا در زمینه سیستم انتقال نیرو چهار چرخ متحرک برای علاقه‌مندان صنعت خودرو پیش می‌آید آن است که تفاوت میان خودروهای 4WD با نام تخصصی “چهار چرخ متحرک” و خودروهای AWD با نام تخصصی “تمام چرخ متحرک” در چیست؟ چه چیزی این دو سیستم مشابه را از هم جدا می‌کند؟ چرا امروزه بیشتر خودروهای تولیدی جهان از نوع AWD هستند؟

فروش فوری خودرو

انتقال نیرو، به کدام محور؟

از ابتدای اختراع خودرو مهندسان و طراحان دریافتند که انتقال نیرو به محور جلو، عقب یا هر دو محور (یا تمامی محورهای موجود) می‌تواند در رفتار فیزیکی و مکانیکی خودرو تفاوت‌های اساسی ایجاد می‌کند و موجب می‌شود هر نوع سیستم انتقال نیرو به منظور خاص و منحصر به فردی مورد استفاده قرار گیرد.

به عنوان مثال خودروهای متحرک عقب که پیشرانه آن‌ها در بخش جلو خودرو قرار دارد، به دلیل داشتن قطعات بیشتر در مسیر اتقال نیرو به محور عقب، از اتلاف انرژی بیشتری رنج می‌برند در حالی که این موضوع در خودروهای متحرک جلو که پیشرانه آن‌ها در بخش جلو قرار دارد، به دلیل داشتن قطعات کمتر در مسیر انتقال نیرو به محور جلو، بسیار کمتر است.

پس درمی‌یابیم که نه تنها نوع سیستم انتقال نیرو بلکه محل قرارگیری پیشرانه در خودرو نیز می‌تواند تاثیری اساسی در رفتار فیزیکی خودرو داشته باشد. اما در این مقاله تنها به بررسی سیستم انتقال نیرو در خودروهایی می‌پردازیم که پیشران آن‌ها در بخش جلو خودرو قرار دارد.

  • قدرتمندترین خودروهای تک محور جهان حتما از نوع RWD هستند

با توجه به مطالب بیان شده می‌توان دریافت که چرا در مقایسه دو خودرو یکسان، خودرو مجهز به سیستم انتقال نیرو FWD در شتابگیری تند و تیزتر از خودرو مجهز به سیستم انتقال نیرو RWD عمل می‌کند، چون اتلاف انرژی کمتری به همراه دارد و می‌تواند نیرو تولیدی را به شکل خالص‌تری به محور متحرک خودرو انتقال داده و سریع‌تر شتاب بگیرد. اما این سیستم به تنهایی کامل و بی‌نقص نیست. خودروهای FWD به دلیل سنگین‌تر بودن بخش جلوی خودرو (به دلیل قرارگیری مجموعه پیشرانه و گیربکس در بخش جلو) معمولا توازن وزنی خوبی به همراه ندارند. در نتیجه از دیدگاه فرمان‌پذیری در برابر نوع RWD ضعیف‌تر عمل می‌کنند و در نسخه‌های قدرتمندتر، تمایل بیشتری به هدر دادن انرژی از طریق هرزگردی در چرخ‌های جلو و بروز پدیده Torque Steer (تورک استییِر/گیجی فرمان و انحراف از خطم ستقیم) به دلیل اعمال گشتاور زیاد و پیچیدن شاسی از خود نشان می‌دهند. این اتفاق در خودروهای RWD تقریبا بروز نمی‌کند.

 

انتقال نیرو خودرو

  • بیش از 95 درصد خودروهای اقتصادی و هاچ‌بک جهان، از سیستم انتقال نیرو FWD بهره می‌برند

تمایزهایی از این دست باعث می‌شود هر دو نوع سیستم انتقال نیرو RWD و FWD برای گروه بخصوصی از خودروها به کار گرفته شوند. نتیجه آن که 90 درصد خودروهای قدرتمند جهان از نوع RWD هستند و بیشتر خودروهای اقتصادی تاریخ در نسخه FWD به تولید می‌رسند. نتیجه گیری نهایی آن است که خودروهای FWD بیشتر مناسب کاربردهای روزمره و اقتصادی و کم مصرف است اما RWD ها بیشتر برای مسابقات و کاربردهای سنگین و پرتوان (نظیر وانت‌ها، کامیون‌ها و خودروهای اسپرت) به کار گرفته می‌شوند هرچند که موارد استثنا همواره وجود دارند و این موضوع الزاما یک قانون مطلق نیست.

 

چهار چرخ متحرک/4WD

چهار چرخ متحرک/4WD

حال تصور کنید که انتقال نیرو به هر دو محور در یک خودر چهار چرخ منتقل شود. این کار چه مزیت‌هایی به همراه دارد؟ در حقیقت با انتقال نیرو به هر چهارچرخ در یک خودرو می‌تواند مزیت هر دو نوع سیستم انتقال نیرو FWD و RWD را به همراه داشته باشد و در عین حال نقطه ضعف هر دو سیستم را پوشش دهد. در نتیجه با خودرویی مواجه خواهیم بود که نه تنها می‌تواند از دیدگاه استفاده روزمره مناسب عمل کند بلکه می‌تواند در کاربردهای سنگین و پرتوان نیز به کار گرفته شود.

در ابتدا باید بدانید که سیستم انتقال نیرو 4WD (یا همان 4×4) یک نوع بخصوص و از زیرمجموعه‌های سیستم انتقال نیرو AWD است. به این معنا که 4WD یکی از زیرشاخه‌های AWD به حساب می‌آید اما نکه جالب اینجا است که در ابتدا این سیستم انتقال نیرو 4WD بود که در صنعت خودرو جهانی به صورت گسترده به کار گرفته شد و تنها چند دهه است که سیستم انتقال نیرو AWD به عنوان سرشاخه سیستم انتقال نیرو تمام چرخ‌ متحرک شناخته می‌شود.

  • گیربکس (اصلی) اتوماتیک TH400 در اتصال با گیربکس (ثانویه) کمکی Dana 300

سیستم انتقال نیرو 4WD یا چهار چرخ متحرک در دهه 1930 میلادی به جهان معرفی شد. آن زمان به دلیل پیشرفته نبودن علم مکانیک و در دسترس نبودن تکنولوژی امروزی، خودروهای دو دیفرانسیل به روش 4WD عمل می‌کردند. به این معنا که نیرو در حالت استاندارد به محور عقب منتقل می‌شد و در صورت نیاز، راننده این نیرو را به صورت مساوی (50-50) و به کمک اهرم‌های مکانیکی به محور جلو نیز انتقال می‌داد تا ساختار «چهار چرخ متحرک موقت» را شکل دهد. در نتیجه سیستم انتقال نیرو 4WD یا 4×4 یک سیستم انتقال نیرو «چهارچرخ متحرک موقت انتخاب» است. یعنی به صورت موقت و به تشخیص و انتخاب راننده از حالت تک محور به حالت دو محور تبدیل می‌شود.

به یاد داشته باشید که یکی از مهم‌ترین المان‌های سیستم 4WD موقت و انتخابی بودن آن است. همچنین لازم به تاکید است که در این خودروها گیربکس ثانویه تحت عنوان گیربکس کمک یا ترنسفر کِیس (Transfer Case) استفاده می‌شود که اصلی‌ترین وظیفه آن تقسیم مساوی (50-50) گشتاور بین دو محور خودرو است اما وظیفه دیگر آن افزایش ضریب دنده گیربکس اصلی (سنگین‌تر کردن ضریب دنده) به منظور افزایش گشتاور خروجی برای افزایش کشش و توان خودرو در حمل بار یا عبور از مسیرهای دشوار با سرعت کمتر اما قدرت بیشتر است. در نتیجه خودروهای 4WD با اهرم انتخاب وضعیت سواری از نوع مکانیکی، از دو شیفتر دنده بهره می‌گیرند. در خودروهای مدرن‌تر و لوکس‌تر، شیفتر گیربکس ثانویه با مجموعه کلیدهای کنترل الکترونیکی جایگزین می‌شود.

تمام چرخ متحرک/AWD

  • خودروهای 4WD معمولا از دو اهرم دنده بهره می‌گیرند

 

لازم به توضیح نیست که این سیستم در خودروهای سنگین وزن کاربردی نظیر وانت‌ها، شاسی بلندها، کامیون‌ها و خودروهای نظامی به کار گرفته می‌شود و در خودروهای سواری کاربردی ندارد. اما چرا امروزه بر پشت بسیاری از کراس اوورها و حتی خودروهای سواری نوشته‌هایی چون AWD را شاهد هستیم؟ تمایز میان 4WD با AWD در چیست که خودروهای سواری از سیستم AWD استفاده می‌کنند اما سیستم 4WD در آن‌ها کاربردی ندارد؟

گیربکس انتقال دنده

تمام چرخ متحرک/AWD

با معرفی اولین کراس اوور رسمی جهان از سوی برند پرآوازه امریکن موتورز (AMC) در سال 1980 میلادی، خودرویی با نام ایگل (Eagle/به معنای عقاب) متولد شد که از کلاس واگن، سدان، کوپه و کانورتیبل کامپکت بود که در حقیقت از سیستم انتقال نیرو دو دیفرانسیل چهار چرخ متحرک (4WD) جیپ بهره می‌برد. این خودرو در زمانی به بازار جهانی معرفی شد که شرکت AMC مالک برند جیپ بود، در نتیجه استفاده مستقیم از سیستم انتقال نیرو 4WD رایج جیپ‌های آن دوران بر یک خودرو سواری منطقی‌ترین کاری بود که AMC در راستای تولید اولین کراس اوور جهان انجام داد.

 

  • امریکن موتورز ایگل، اولین کراس اوور جهان. یک خودرو سواری با سیستم انتقال نیرو جیپ

 

ابتدا بگذارید پدیده نسبتا نوظهوری با نام کراس اوور (Crossover) را تعریف کنیم تا دریابیم چرا سیستم انتقال نیرو این کلاس از خودروها با سیستم انتقال نیرو شاسی بلندهای واقعی (SUVها) و وانت‌های پرتوان سنگین وزن (تحت عنوان جهانی Truck/تراک) تفاوت دارد.

کراس اوورها خودروهایی شاسی بلندنما هستند که معمولا بر پلتفرم خودروهای سواری توسعه می‌یابند. در نتیجه از شاسی مشابه با خودروهای سواری بهره می‌گیرند و تنها اجزا بدنه آن‌ها به منظور دستیابی به ابعاد بزرگ‌تر، فضای داخلی بیشتر و ظاهر قلدرتر با نمونه‌های سواری تفاوت دارد. به عنوان مثال رنو داستر همان نسخه کراس اوور خودرو داچیا لوگان/داچیا ساندرو است که در ایران با نام تند90 و رنو ساندرو شناخته می‌شود. اما در ایران این خودرو را یک شاسی بلند می‌دانند در حالی که این‌طور نیست. داچیا داستر (رنو داستر) یک کراس اوور است به این معنا که تنها شبیه به یک خودرو شاسی بلند طراحی شده و در حقیقت بر پلتفرم یک خودرو سواری توسعه یافته است تا تنها از دیدگاه ظاهری و احتمالا برخی ویژگی‌های سواری به خودروهای کلاس شاسی بلند (SUV) نزدیک شود.

سیستم AWD مرسدس بنز با نام 4-Matic

 

  • بسیاری از شاسی بلندهای لوکس همانند کراس اوورها ممکن است از سیستم‌های کنترلی الکترونیکی (کلید) به جای اهرم مکانیکی استفاده کنند

کراس اوورها خودروهای شاسی بلندنما هستند که به منظور استفاده درون شهری توسعه یافته‌اند و در حقیقت قرار نیست که در مسیرهای بیراهه و آفرود مورد استفاده قرار گیرند چراکه توان اجرایی این کار در دراز مدت را به همراه ندارند. در نتیجه این خودروها به سیستم انتقال نیرو نوع AWD یا تمام چرخ متحرک مجهز هستند. سیستم انتقال نیرویی که گشتاور در آن معمولا به صورت دائمی و پیوسته بین دو محور (چهار چرخ) خودرو تقسیم می‌شود.

سیستم انتقال نیرو AWD معمولا به صورت دائمی برقرار است و در برخی محصولات به صورت الکترونیکی به صورت موقت از کار می‌افتد تا نیرو تنها به محور جلو (یا بعضا محور عقب) خودرو منتقل شده تا میزان مصرف سوخت خودرو کاهش یابد و هرگاه که راننده انتخاب کند یا سیستم هوشمند خودرو با هرزگردی و کاهش کشش در چرخ‌های خودرو مواجه شود، این سیستم را مجدد متصل کرده و به صورت تمام چرخ متحرک در می‌آورد.

 

سیستم‌های کنترلی الکترونیکی (کلید)

  • گیربکس کمکی انتقال نیرو دنده‌ای (راست) در کنار گیربکس کمکی انتقال نیرو زنجیری (چپ)

توجه داشته باشید که سه عامل بسیار مهم میان سیستم AWD و 4WD وجود دارد که به شکل فاحشی این دو سیستم را از هم جدا می‌سازد.

  • اول آن که سیستم AWD با وجود قطع و وصل شدن موقتی هوشمند یا به انتخاب راننده در برخی خودروها، همچنان یک سیستم انتقال نیرو دو دیفرانسیل دائمی اطلاق می‌شود و از این رو نمی‌توان آن را در کلاس 4WD دسته بندی کرد چراکه سیستم 4WD کاملا انتخابی و کاملا موقت است و چندان هوشمند عمل نمی‌کند.
  • دوم آن که به دلیل اتصال دائمی (یا تقریبا دائمی) سیستم انتقال نیرو AWD، این سیستم از یک دیفرانسیل سوم تحت عنوان دیفرانسیل مرکزی (Central Differential) بهره می‌گیرد که وظیفه آن تقسیم مساوی 50-50 (یا با درصد متفاوت بر اساس تصمیم‌گیری هوشمند سیستم کامپیوتری خودرو) است تا مجموعه انتقال نیرو تحت فشار حاصل از اصطکاک نامساوی محور جلو و عقب خودرو قرار نگیرد. این دیفرانسیل معمولا در خودروهای 4WD وجود ندارد هرچند که در خودروهای مدرن‌تر امروزی 4WD به کار گرفته می‌شود اما به دلیل کارکرد موقت این سیستم، وجود دیفرانسیل مرکزی در آن‌ها اجباری نیست.
  • سوم آن‌که بیشتر خودروهای AWD فاقد گیربکس کمکی هستند و ترنسفر کیس یا گیربکس کمکی در آن‌ها تنها به منظور تقسیم متناسب نیرو بین دو محور به کار گرفته می‌شود و فاقد ضریب سنگین‌تر و قدرتمندتر به کار رفته در خودروهای 4WD هستند. به همین جهت خودروهای AWD توان استفاده به عنوان خودوهای آفرود در درازمدت را ندارند. همچنین عدم تجهیز به گیربکس کمکی ضریب سنگین در این خودروها باعث می شود هزینه تولید نهایی خودروهای کراس اوور بسیار کمتر از خودروهای شاسی بلند 4WD باشد.

گیربکس کمکی انتقال نیرو دنده‌ای

  • مجموعه انتقال نیرو زنجیری در سیستم AWD. به ابعاد کوچک‌تر و پیچیدگی کمتر آن در مقایسه با گیربکس کمک زنجیری 4WD توجه کنید.

 

مجموعه انتقال نیرو زنجیری در سیستم AWD

AWD و 4WD و کاربرد آن‌ها

سیستم انتقال نیرو دو دیفرانسیل موقت انتخابی (4WD) تنها در شاسی بلندهای حقیقی (SUV) مناسب برای آفرود و حمل بار سنگین در گذر از بیراهه‌ها استفاده می‌شود. این دست خودروها با توانایی‌های تاکتیکی خود، کلاس‌های مختلفی از شاسی بلندها و وانت‌های کوچک یا بزرگ، کامیون‌های خاص و خودروهای نظامی را تشکیل می‌دهند. سیستم 4WD این خودروها را قادر می‌سازد تا به صورت همزمان به عنوان یک خودرو درون‌شهری و برون‌شهری به کار گرفته شوند. با از کار انداختن محور جلو، این خودروها به صورت استاندارد با محور عقب در مسیرهای آسفالت به سرعت‌های بالا دست می‌یابند.

  • یک کراس اوور هرگز نمی‌تواند همانند یک شاسی بلند حقیقی بیراهه‌نوردی کند

با قابلیت انتخاب دنده سبک اما در حالت 4WD، این خودروها گشتاور تولیدی پیشرانه را از طریق ضرایب استاندارد گیربکس اصلی، به هر چهار چرخ می‌رسانند. این وضعیت برای عبور از مسیرهای برفی، گل و لای و کم اصطکاک استفاده می‌شود که در این خودروها با وضعیت 4H (4 High/چهار چرخ سبک) به نمایش درمی‌آید. در صورت نیاز به عبور از مسیرهای دشوار سنگلاخ، صخره‌ای یا وضعیت حمل بار سنگین در مسیرهای نامناسب، این خودروها می‌توانند به کمک ضریب سنگین‌تر گیربکس کمکی خود (معمولا درحدود 2.5 به 1)، وضعیت دو دیفرانسیل سنگین را برگزینند که با وضعیت 4L (4 Low/چهار چرخ سنگین) نمایش داده می‌شود.

کراس اوورها اما فاقد ضریب سنگین گیربکس کمک هستند و تنها با ضریب ثابت یک به یک، گشتاور تولیدی پیشرانه را از طریق گیربکس استاندارد بین دو محور جلو و عقب تقسیم می‌کنند. در نتیجه کاربرد این سیستم در حقیقت به منظور برقراری پایداری و کشش بیشتر در مسیرهای آسفالت بارانی، برفی و لغزنده و در نتیجه افزایش ایمنی بیشتر خودرو است و عموما هدف خودروسازها از تولید این دست خودروها به هیچ عنوان استفاده به صورت آفرود در مسیرهای بیراهه نیست.

گیربکس کراس اوور

  • تمام کراس اوورهای چینی بازار ایران از نوع FWD و بیشتر نسخه‌های وارداتی غیر چینی از نوع AWD هستند

درست برخلاف سیستم 4WD که فقط بر خودروهای شاسی بلند و وانت‌ها و کامیون‌ها و خودروهای نظامی به کار گرفته می‌شود، سیستم AWD دقیقا به همان منظور مشترک با کراس اوورها، بر خودروهای سواری نیز به کار می‌رود. شرکت‌ها خودروسازی جهانی نظیر مرسدس بنز، کراسیلر، فورد، جنرال موتورز، آئودی، کیا، بی ام و (تقریبا تمامی خودروسازان مطرح جهانی) نیز در خودروهای سواری خود از سیستم AWD بهره می‌گیرند. این سیستم از سوی مرسدس بنز با نام تجاری 4-Matic و از سوی آئودی با نام کوآترو (Quattro) و در محصولات کرایسلر با کد تریم SXT شناخته می‌شود.

 

  • نمای کامل سیستم AWD مرسدس بنز با نام 4-Matic

 

فراگیری AWD در جهان

همان‌طور که پیشتر بیان شد، استفاده از سیستم 4WD در خودروهای شاسی بلند وحی منزل نیست. به عنوان یک مثال نقض بسیار بزرگ، می‌توان از برترین شاسی بلند تاریخ یعنی هامر (Hummer) نام برد. نسخه H1 این برند شاسی بلندساز به عنوان برترین و توانمندترین خودرو دو دیفرانسیل تاریخ شناخته می‌شود و این در حالی است که این خودرو از سیستم انتقال نیرو تمام چرخ متحرک دائمی (AWD) بهره می‌گیرد، با این تفاوت که نه تنها به گیربکس کمک ضریب سنگین مجهز است، بلکه پیشرفته‌ترین مکانیزم‌های کنترلی دو دیفرانسیل نظیر قفل دیفرانسیل مرکزی، قفل دیفرانسیل جلو و عقب، محورهای پورتال و ده‌ها ویژگی فنی برتر دیگر را با خود به همراه دارد.

 

  • شماتیک انتقال نیرو هامر H1. شاسی بلندی حقیقی اما مجهز به سیستم انتقال نیرو AWD

اما در دنیای امروز که خودروهای شاسی بلند حقیقی بیشتر به عنوان خودروهای کاربری خاص (به عنوان کمپر، طبیعت‌گردی و مسابقه‌ای) به کار گرفته می‌شوند، این کراس اوورها و خودروهای سواری هستند که به منظور پایداری و ایمنی بیشتر و انتقال لذت سواری بالاتر با سیستم‌های مختلف AWD به بازار عرضه می‌شوند. در نتیجه بر خلاف گذشته چندان جای تعجب ندارد که بازار خودرو در دو دهه گذشته در جهان به خودروهای مجز به سیستم انتقال نیرو AWD اختصاص یافته و خودروهای واقعی آفرودی با سیستم انتقال نیرو 4WD، تنها به عنوان خودروهای شاسی بلند حقیقی و توانمند برای طبیعت‌گردان و دوست‌داران شاسی بلندهای واقعی به بازار عرضه می‌شوند. شاید همه شاسی بلند دوست داشته باشند اما همه الزاما آفرودر و بیراهه‌نورد نیستند و تمایلی برای پرداخت هزینه نهایی بیشتر به منظور کسب توانایی‌های برتر شاسی بلند‌های واقعی آن هم در مسیر روزمره خیابان‌های آسفالت ندارند. اینجا است که کراس اوورهای ساده‌تر AWD به نجات جان مشتریان ارتفاع پسند می‌آیند.

  • استفاده از سیستم انتقال نیرو AWD در میان خودروهای مسابقه‌ای نیز بسیار رایج است

نمای کامل سیستم AWD مرسدس بنز با نام 4-Matic

نویسنده: شهاب انیسی

 

فروش فوری خودرو