Układ napędowy quattro jest synonimem dynamicznego prowadzenia, stabilności jazdy, przyczepności i bezpieczeństwa, a także eksperckiej wiedzy technicznej i najwyższych parametrów — w skrócie” to „Vorsprung durch Technik – przewaga dzięki technice”.
Dlatego właśnie o Audi i quattro mówi się na jednym oddechu. Układ napędzający wszystkie cztery koła stanowi filar marki — od pierwszego quattro wprowadzonego w 1980 r., po obecny układ napędowy na cztery koła z elektrycznym rozkładem momentu obrotowego w serii modeli e-tron.
Dlaczego napęd quattro stał się legendą?
Debiut Audi quattro na Międzynarodowym Salonie Samochodowym w Genewie w 1980 r. łączył się z premierą układu przenoszenia mocy, który w segmencie samochodów osobowych był absolutną nowością. Był to napęd na cztery koła charakteryzujący się lekkością, kompaktową budową, wydajnością i minimalnymi stratami. To sprawiło, że koncepcja quattro od samego początku świetnie nadawała się do szybkich samochodów sportowych. Lista osiągnięć z nim związanych na przestrzeni 40 lat jest imponująca. Jak dotąd marka Audi sprzedała około 11,8 miliona samochodów z napędem na cztery koła. Układ napędowy quattro stanowi integralną część DNA marki i od lat osiemdziesiątych zdobywa uznanie zarówno w sporcie motorowym jak i wśród klientów. Do powstania legendy quattro przyczyniły się również liczne znane reklamy i kampanie, jak na przykład ta, w której Audi 100 CS quattro prowadzone przez zawodowego kierowcę Haralda Demutha wjeżdża w górę skoczni narciarskiej. W erze elektromobilności, dzięki elektrycznemu napędowi quattro w modelach serii e-tron, Audi wyznacza kolejne standardy.
Gdzie i w jaki sposób napęd quattro jest wykorzystywany dzisiaj?
Za wyjątkiem serii A1, quattro jest dostępne jako czysto mechaniczny napęd na cztery koła w każdej serii modelowej. Nowe Audi RS 3 to pierwszy pojazd marki z czterema pierścieniami w logo, w którym zamontowano napęd quattro z mechanizmem RS Torque Splitter odpowiedzialnym za w pełni zmienny rozkład momentów napędowych między kołami osi tylnej. Modele e-tron i e-tron Sportback, w roku 2018 zapoczątkowały erę elektrycznego napędu na cztery koła. W Audi e-tron jeden silnik elektryczny napędza oś przednią, a drugi oś tylną. W e-tron serii S z kolei, zastosowano nowe, innowacyjne rozwiązanie techniczne — po raz pierwszy w masowo produkowanych samochodach zamontowano tam trzy silniki elektryczne, z których dwa umieszczono na osi tylnej. W modelach S, elektryczna funkcja wektorowania momentu obrotowego — tj. ukierunkowanego rozkładu momentu obrotowego pomiędzy dwoma kołami tylnymi bez połączenia mechanicznego, takiego jak mechanizm różnicowy, nadaje układowi napędowemu quattro jeszcze większej zwinności i przyczepności.
Co sprawia, że układ napędowy quattro jest tak wyjątkowy?
W swoim asortymencie modeli, Audi oferuje szeroką gamę koncepcji motoryzacyjnych, a w związku z tym technika quattro również obejmuje szerokie spektrum rozwiązań. Niezależnie od tego, jak z technicznego punktu widzenia układ napędowy quattro jest wykorzystywany, zawsze jest synonimem świetnej przyczepności, bardzo dynamicznej jazdy i bezpieczeństwa. Cechą wspólną wszystkich wersji quattro jest selektywny rozkład momentu obrotowego między kołami. Rozwiązanie to zakłada lekkie przyhamowywanie obu kół znajdujących się po wewnętrznej stronie zakrętu, co sprawia, że pojazd łatwiej się prowadzi i bardziej dynamicznie pokonuje zakręty. Różnica sił napędowych gwarantuje, że samochód łatwo wchodzi w zakręt. Te interwencje sprawiają, że prowadzenie auta jest jeszcze bardziej neutralne, dynamiczne i stabilne.
Jakie różnice występują między układami napędowymi quattro w przypadku silników montowanych wzdłużnie i poprzecznie?
W modelach Audi wyposażonych w silnik montowany wzdłużnie, sercem napędu quattro jest samoblokujący, międzyosiowy mechanizm różnicowy. To czysto mechaniczny układ, mający postać działającej bez jakichkolwiek opóźnień przekładni planetarnej. Wewnątrz koła pierścieniowego obraca się koło słoneczne. Między obydwoma kołami obracają się walcowe koła planetarne, połączone z rotującą obudową. Podczas normalnej jazdy, 60 procent momentu obrotowego kierowane jest na oś tylną za pośrednictwem koła pierścieniowego o większej średnicy i powiązanego z nim wałka zdawczego. Natomiast pozostałe 40 procent momentu dociera na oś przednią przez mniejsze koło słoneczne. Ten asymetryczny i dynamiczny rozkład momentu zapewnia sportową jazdę i podkreśla zalety napędu na tylną oś. Skośne zazębienia wytwarzają siły osiowe natychmiast wtedy, gdy moment obrotowy zostaje przeniesiony przez mechanizm różnicowy. Siły te oddziałują na tarcze cierne wytwarzając moment blokujący, który z kolei kieruje moment obrotowy do kół z lepszą trakcją.
W modelach kompaktowych z silnikiem montowanym poprzecznie, Audi oferuje układ przeniesienia napędu quattro, którego sercem jest sprzęgło wielopłytkowe – hydraulicznie uruchamiane i elektrycznie sterowane. By zoptymalizować podział obciążeń między osiami, montuje się je na końcu wału napędowego, przed mechanizmem różnicowym tylnej osi. We wnętrzu sprzęgła znajduje się zespół metalowych pierścieni ciernych, które są ułożone parami, jeden za drugim. Jeden pierścień z każdej pary jest trwale zazębiony z koszem sprzęgłowym, który obraca się wraz z wałem napędowym, a każdy drugi pierścień z wałem połączonym z mechanizmem różnicowym tylnej osi.
Oprogramowanie napędu na cztery koła nieustannie, na podstawie wielu danych, oblicza właściwy rozkład momentu między osią przednią i tylną. Gdy występuje zapotrzebowanie na moment obrotowy, bardzo wydajna, elektryczna pompa z tłokiem osiowym, w kilka milisekund wytwarza ciśnienie hydrauliczne o wartości do 40 barów. W ten sposób płytki trące są ściskane i moment napędowy dociera bezstopniowo do tylnej osi. Elektronicznie regulowane sprzęgło wielopłytkowe gwarantuje najlepszą trakcję, dynamikę i bezpieczeństwo jazdy, a wraz z aktywnym rozkładem momentów – także sportowe prowadzenie.
Sprzęgło wielopłytkowe stosowane jest również w charakteryzujących się wysokimi parametrami pracy samochodach sportowych R8 z silnikiem umieszczonym centralnie. Wbudowane w dyferencjał osi przedniej elektrohydrauliczne sprzęgło wielopłytkowe, za pomocą wału napędowego w ciągu kilku milisekund przenosi moment obrotowy na koła osi przedniej. Sprzęgło rozdziela moment obrotowy między osiami w zależności od zapotrzebowania. Połączenie wydajnej mechaniki przekładni i oprogramowania napędu na cztery koła dopasowanego do sportowego samochodu z silnikiem umieszczonym centralnie, gwarantuje dynamikę jazdy dającą idealną równowagę między stabilnością na drodze, a zwinnością.
Dla jakich modeli został zaprojektowany układ napędowy quattro z techniką ultra?
Zoptymalizowany pod katem wydajności napęd quattro z techniką ultra, opracowano z myślą o modelach Audi, w których montowany wzdłużnie silnik jest połączony z przekładnią manualną lub z dwusprzęgłową, automatyczną skrzynią S tronic. W takim przypadku w układzie pracują dwa sprzęgła. Kiedy układ przełącza się na wydajne napędzanie przednich kół, otwiera się przednie sprzęgło — wielotarczowe przy wałku wyjściowym skrzyni biegów. W tym momencie moment obrotowy nie jest już przenoszony. Konstrukcja tylnego sprzęgła gwarantuje, że wał napędowy pozostanie rzeczywiście nieruchomy, w ten sposób eliminując główne źródło strat ciągu w tylnej części układu przeniesienia napędu. Inteligentne sterowanie napędem na cztery koła zawsze działa predyktywnie, z pomocą szerokiej gamy czujników stale analizując dane dotyczące dynamiki jazdy, warunków drogowych i stylu prowadzenia kierowcy. Oznacza to, że układ napędowy quattro jest gotowy zawsze wtedy, kiedy jest potrzebny. Podczas spokojnej jazdy, napęd quattro z techniką ultra korzysta z wszystkich zalet napędu na przednie koła.
Jaki rodzaj układu napędowego quattro jest stosowany w samochodach sportowych?
Dla modeli o dużej mocy wyposażonych w automatyczną skrzynię biegów tiptronic, Audi oferuje sportowy mechanizm różnicowy. Sportowy mechanizm różnicowy zapewnia jeszcze większą dynamikę jazdy, trakcję i stabilność. Aktywnie rozdziela moment obrotowy między kołami tylnej osi i uzupełnia napęd quattro o samoblokujący, międzyosiowy mechanizm różnicowy. Poza wszystkimi cechami konwencjonalnego mechanizmu różnicowego, posiada też sterowane elektrohydraulicznie sprzęgło wielopłytkowe. Sprzęgło wielopłytkowe jest poruszane przez hydrauliczny sterownik. Silnik elektryczny napędza wysokiej mocy pompę olejową, która wytwarza konieczne ciśnienie hydrauliczne. Jeśli sprzęgło się załącza, może bezstopniowo przekazać wyższą liczbę obrotów przekładni planetarnej na koło po zewnętrznej stronie zakrętu. Konieczność szybszego obracania się koła prowadzi do tego, że niezbędny w tym celu dodatkowy moment obrotowy jest przez mechanizm różnicowy odbierany toczącemu się po wewnętrznej stronie zakrętu kołu położonemu po przeciwnej stronie. W ten sposób prawie cały moment obrotowy jest przekazywany na jedno koło.
Dyferencjał może rozdzielać moment obrotowy między prawe i lewe koło niezależnie od statusu samochodu. Podczas wjeżdżania w zakręt czy przyspieszania w trakcie pokonywania zakrętu, kieruje on momenty głównie na koło toczące się po stronie zewnętrznej. Sportowy mechanizm różnicowy dosłownie wciska samochód w zakręt, eliminując najmniejsze nawet oznaki podsterowności. Zapewnia stabilne i precyzyjne przekazywanie poleceń układu kierowniczego i w ten sposób doskonałą zwrotność. W przypadku wystąpienia nadsterowności, sportowy mechanizm różnicowy stabilizuje pojazd przesyłając moment do koła toczącego się po wewnętrznej stronie.
Nowe Audi RS 3 Sportback oraz Audi RS 3 Limousine, to pierwsze modele wyposażone w stały napęd na cztery koła quattro z mechanizmem RS Torque Splitter. RS Torque Splitter umożliwia aktywny, w pełni zmienny rozkład momentu obrotowego między tylnymi kołami. W przeciwieństwie do mechanizmu różnicowego tylnej osi i wcześniej montowanego sprzęgła wielopłytkowego tylnej osi, RS Torque Splitter wykorzystuje po jednym elektronicznie sterowanym sprzęgle wielotarczowym na odpowiednim wałku napędowym. Podczas dynamicznej jazdy Torque Splitter zwiększa intensywność momentu obrotowego docierającego do tylnego koła znajdującego się po zewnętrznej stronie zakrętu, które jest w tym momencie bardziej obciążone. Znacznie zmniejsza to tendencję do podsterowności. Na lewych łukach Torque Splitter przenosi moment obrotowy na prawe tylne koło, na prawych łukach na lewe tylne koło, a podczas jazdy na wprost na oba koła. Dzięki temu uzyskuje się optymalną stabilność i maksymalną zwrotność – zwłaszcza podczas pokonywania zakrętów z dużą prędkością. Podczas jazdy na zamkniętych drogach Torque Slitter umożliwia wejście w kontrolowany drift, przenosząc całą moc silnika na jedno z tylnych kół – maksymalnie do 1750 niutonometrów momentu obrotowego. Dokładny rozkład momentu obrotowego zależy zawsze od trybu wybranego w systemie Audi drive select i od konkretnej sytuacji na drodze.
Każde z dwóch sprzęgieł wielotarczowych posiada własną jednostkę sterującą, wykorzystującą do pomiaru czujniki prędkości kół elektronicznego systemu stabilizacji toru jazdy. Inne czynniki wpływające na pracę układu to przyspieszenie wzdłużne i poprzeczne, kąt skrętu kierownicy, położenie pedału gazu, wybrany bieg oraz kąt odchylenia, czyli ruch obrotowy wokół osi pionowej. Ponadto Torque Splitter, jako jednostka nadrzędna, jest połączony z modułowym sterownikiem dynamiki pojazdu.
Jak, dla odmiany, działa elektryczny stały napęd na cztery koła?
Elektryczny napęd na cztery koła – montowany na przykład w Audi e-tron, Audi e-tron Sportback, Audi RS e-tron GT i Audi e-tron GT quattro – stale dostosowuje idealny rozkład momentu obrotowego między obie osie w całkowicie zmienny sposób i robi to w ułamku sekundy. Dzięki jednemu silnikowi na osi przedniej i dwóm silnikom elektrycznym zamontowanym na osi tylnej, całkowicie zmienna dystrybucja momentu obrotowego jest również możliwa w Audi e-tron S. Oznacza to, że każda oś ma jeden lub — jak w przypadku Audi e-tron S — nawet dwa silniki, których współdziałanie zapewnia elektryczny napęd quattro. W ten sposób stały elektryczny napęd na cztery koła łączy w sobie wydajność układu napędowego na jedną oś z dynamicznym prowadzeniem i przyczepnością napędu na wszystkie koła.
Jeżeli osie przednia i tylna nie są już fizycznie połączone, w jaki sposób rozkładany jest moment obrotowy?
Połączenie osi przedniej i tylnej realizowane jest wyłącznie przez funkcje zainstalowanego oprogramowania, co jest widoczne w dziesiątkach tysięcy wierszy kodu i niezliczonych parametrach. Elektryczny napęd quattro rozkłada moment obrotowy między osie przednią i tylną według potrzeby, przekazując od 0 do 100 proc. jego wartości. Jest to działanie proaktywne na śliskich nawierzchniach lub podczas szybkiego pokonywania zakrętów, zanim nastąpi poślizg lub auto stanie się podsterowne lub nadsterowne. Rezultatem jest wysoka precyzja prowadzenia pojazdu, które może być w dużym stopniu dostosowywane za pośrednictwem systemów regulacji zawieszenia — od stabilnego, komfortowego, po sportowe. W połączeniu z selektywnym rozkładem momentu obrotowego, elektryczny układ napędowy oferuje wyjątkową przyczepność przy każdej pogodzie i na każdej nawierzchni. Kiedy e-tron GT quattro porusza się po drodze w trybie jazdy „komfort” wybranym w systemie wyboru dynamiki jazdy Audi drive select, oba silniki elektryczne współpracują ze sobą w sposób najbardziej oszczędny energetycznie. Gdy zaś aktywowany jest tryb „dynamiczny”, auto prowadzi się bardziej jak samochód z napędem na oś tylną. Natomiast w trybie „wydajność”, priorytet ma napęd na koła przednie zapewniający maksymalną efektywność.
Sterowana blokada mechanizmu różnicowego osi tylnej, zintegrowana ze układem sterowania elektronicznej platformy podwozia (ECP), jest montowana standardowo w RS e-tron GT i opcjonalnie w e-tron GT. Stanowiące jej rdzeń sprzęgło wielopłytkowe z zakresem blokowania od 0 do 100 proc., pracuje w pełni zmiennie.
Sterowana blokada mechanizmu różnicowego osi tylnej poprzez ukierunkowany rozkład momentu obrotowego zwiększa przyspieszenie boczne, poprawia przyczepność i stabilność oraz zmniejsza reakcje na zmianę obciążenia. Moment obrotowy jest przenoszony z najszybciej do najwolniej poruszającego się koła na zewnętrznym łuku zakrętu. Ponadto selektywne hamowanie kołem poruszającym się po wewnętrznym łuku zakrętu umożliwia wygenerowanie dodatkowego momentu odchylającego na osi tylnej.
Jaką rolę odgrywa elektryczny rozkład momentu obrotowego?
Dwa SUV-y z napędem elektrycznym na cztery koła — Audi e-tron S i e-tron S Sportback — są wyposażone w trzy silniki elektryczne. Na ich przykładzie można zademonstrować właściwości sportowego mechanizmu różnicowego w kategoriach zwinności i zalety sterowanej blokady w kategoriach przyczepności. Każdy z dwóch tylnych silników elektrycznych, za pomocą jednobiegowej przekładni, działa bezpośrednio na oś tylną. Nie ma tu również mechanicznego połączenia między dwoma silnikami elektrycznymi. Elektryczny rozdział momentu obrotowego — przesuwanie momentu obrotowego między kołami tylnymi — zachodzi w ciągu milisekund i może przenosić wyjątkowo wysoki moment obrotowy zapewniający większą dynamikę boczną. Kiedy samochód szybko wchodzi w zakręt, silnik elektryczny przydziela większy moment obrotowy na koło zewnętrzne, a jednocześnie redukuje moment obrotowy przenoszony na wewnętrzne koło tylne. Różnica w dostarczaniu momentu między kołami może wynosić nawet 220 Nm, czyli z uwzględnieniem przełożenia około 2100 Nm.
Jaka korzyść wynika ze stosowania indywidualnych silników elektrycznych?
Od czasu, gdy system wykryje określoną sytuację, do czasu dostosowania momentu obrotowego przekazywanego przez silniki elektryczne, mija zaledwie 30 milisekund. W elektrycznym napędzie na cztery koła zamiast uruchamiania mechanicznego sprzęgła, dystrybuowana jest energia elektryczna. Odbywa się to z prędkością światła, cztery razy szybciej niż przy konwencjonalnym rozdziale momentu obrotowego za pomocą połączeń mechanicznych. Co pięć milisekund oprogramowanie oblicza nową wartość. W tym celu, w zależności od sytuacji związanej z jazdą, na przykład przy różnicy współczynników tarcia lub podczas dynamicznego pokonywania zakrętów, większa moc jest przekazywana na koło zewnętrzne.
Generowany moment nie tylko wspiera samosterowność auta, ale również wymaga mniejszego kąta skrętu kierownicy do utrzymania promienia pokonywania zakrętu. Zasadniczo, kieruje się pojazdem używając pedału przyspieszenia. Rezultatem jest bardziej zwinne prowadzenie i samosterowność, a tym samym większa prędkość pokonywania zakrętów. Jeżeli potrzebna jest przyczepność, różnica momentów obrotowych może być jeszcze większa — jeżeli koło tylne jedzie po śliskiej nawierzchni, na przykład po zamarzniętej kałuży, w momencie przyspieszenia dociera do niego tylko taki moment obrotowy, jaki może wykorzystać – daje o tym znać współczynnik tarcia. Moment obrotowy przekazywany na koło z niskim współczynnikiem tarcia nie jest ograniczany przez elektroniczną blokadę mechanizmu różnicowego, jak w przypadku układu mechanicznego. Zaletą jest to, że moment obrotowy przepływa prawie całkowicie do koła o wysokiej przyczepności i nie ulega stracie w wyniku hamowania.
Które systemy i jednostki sterowania są zaangażowane w elektryczny rozdział momentu obrotowego?
Jednostki sterowania są ściśle ze sobą powiązane — w tym przypadku współpracują ze sobą: funkcje elektronicznego systemu stabilizacji toru jazdy, jednostka sterująca silnika, elektroniczna platforma podwozia oraz energoelektronika.
W jaki sposób systemy te współdziałają?
Jednostką nadrzędną w tej siatce powiązań jest elektroniczna platforma podwozia ze zintegrowanym układem rozkładu momentu obrotowego — odgrywa ona kluczową rolę w zarządzaniu (tj. sterowaniu i regulacji) napędem na cztery koła i rozkładem momentu obrotowego. Sygnały z czujników stale przesyłają jej informację o stanie jazdy. Na podstawie tych danych i życzeń kierowcy, system oblicza idealny rozkład momentów obrotowych wzdłużnych i bocznych. W Audi e-tron S zadania platformy obejmują elektryczny rozkład momentu obrotowego na osi tylnej, a także selektywne sterowanie rozkładem momentów na osi przedniej — na granicy dynamiki, hamulec nieobciążonego wewnętrznego koła przedniego lekko je przyhamowuje. Ta niewielka interwencja — której kierowca nawet nie zauważa — zapobiega poślizgowi i sprawia, że prowadzenie jest jeszcze bezpieczniejsze.
Kiedy w modelach e-tron i e-tron S aktywowany jest elektryczny napęd na cztery koła?
Elektryczny napęd na cztery koła staje się aktywny, gdy zmniejsza się przyczepność na drogach o niskim współczynniku tarcia, podczas dynamicznej jazdy, kiedy kierowca potrzebuje wysokiej mocy napędu lub kiedy konieczna jest maksymalna rekuperacja. Innymi słowy: podczas odzyskiwania energii w ramach hamowania i żeglowania. Jeżeli kierowca hamuje z siłą do 0,3 g, silniki elektryczne działają jak generatory, wykorzystując energię kinetyczną samochodu i przemieniając ją w energię elektryczną, która magazynowana jest w akumulatorze. Dotyczy to ponad 90 proc. wszystkich sytuacji hamowania podczas codziennej jazdy. Tylko kiedy nacisk na pedał hamulca się zwiększa, system płynnie włącza hydrauliczne hamulce kół. Na przykład podczas hamowania ze 100 km/godz., Audi e-tron S może odzyskiwać energię kinetyczną z mocą nawet 270 kW. Jeżeli podczas przyspieszenia potrzebna jest cała moc, modele e-tron S dostarczają łącznie 370 kW mocy i moment obrotowy 973 Nm.
W jaki sposób kierowca może wpływać na charakterystykę działania elektrycznego napędu quattro?
Kierowca może dostosować quattro do swoich potrzeb za pomocą dwóch układów: standardowego systemu wyboru dynamiki jazdy Audi drive select oraz elektronicznego systemu stabilizacji toru jazdy (ESC). Za pomocą systemu Audi drive select, kierowca może dostosować wydajność i charakterystykę prowadzenia korzystając z różnych profili, od bardzo komfortowego, przez wyjątkowo wydajny, po zdecydowanie sportowy — w zależności od warunków drogowych i własnych preferencji. Te tryby pracy mają —między innymi — wpływ na wspomaganie kierownicy i charakterystykę jazdy. Dostępnych jest również kilka różnych programów ESC. Między innymi podczas jazdy w terenie system optymalizuje stabilność, przyczepność i hamowanie, a także aktywuje dostępnego w wyposażeniu standardowym asystenta zjazdu ze wzniesienia.
