26 grudnia 2023

Sprzęgło Haldex – co to jest? Jak działa?

Napęd na cztery koła napędowi nierówny. Wśród systemów 4×4, obok stałych i dołączanych, często wymienia się sprzęgło Haldex. Czym jest i co kryje się pod tym pojęciem? Wyjaśniamy.

Haldex jest stosowany w wielu małych i średnich samochodach z napędem na cztery koła. Zasadniczo wykorzystuje on sprzęgło aktywowane ciśnieniem oleju w tylnym mechanizmie różnicowym, aby umożliwić natychmiastowe przełączenie samochodu z napędu na przednie koła na napęd 4×4. Dzieje się tak po uzyskaniu odpowiedniego sygnału z komputera sterującego pracą układu.

Skoda Octavia 4x4

System Haldex nie jest więc właściwie „prawdziwym” napędem na wszystkie koła. Dlaczego? Ponieważ w standardowej konfiguracji do wprawiania samochodu w ruch wykorzystuje wyłącznie przednie koła. Dopiero w przypadku wykrycia poślizgu Haldex przekierowuje moment obrotowy na tylną oś, aby skompensować utratę przyczepności przedniej osi.

Sprzęgło Haldex jest zamontowane w obudowie mechanizmu różnicowego tylnej osi i napędzane przez wał napędowy.

Skąd wzięła się nazwa Haldex?

Nazwa pochodzi od szwedzkiej firmy HaldexAB, która obecnie jest własnością amerykańskiego koncernu BorgWarner. Sprzęgło Haldex, wykorzystując napęd przedni, ma za zadanie przekształcić go w 4×4. Czyni to przy użyciu czujników elektronicznych i sprzęgła, które automatycznie rozdziela moment obrotowy pomiędzy osiami.

Obecnie w użyciu jest 5. generacja Haldexa, którą wdrożono w latach 2012-2013. Pierwsza pojawiła się w 1998 roku.

Jak jest zbudowany i jak działa Haldex?

Haldex składa się głównie z wałka wejściowego, napędzanego przez silnik, wałka wyjściowego, napędzającego tylną oś, sprzęgła płytkowego (sterowane przez hydrauliczne tłoki), pompy hydraulicznej (napędza tłoki) oraz z jednostki sterującej. Ta ostatnia odpowiada za uruchamianie pompy.

Sprzęgło Haldex jest sterowane elektronicznie. Jednostka sterująca odczytuje dane dotyczące prędkości obrotowej kół, przyspieszenia, kąta skrętu i wiele innych parametrów. Na tej podstawie określa, czy sprzęgło powinno być rozłączone, całkowicie włączone, czy częściowo włączone w określonym zakresie.

Następnie wysyła sygnał do tłoka sprzęgła, który uruchamia je w ciągu kilku milisekund. W nowoczesnych samochodach reakcja może nastąpić nawet zanim koła zaczną się ślizgać.

napęd 4x4 - sprzęgło Haldex

Oznacza to, że silnik może sprawić, iż wał wyjściowy systemu Haldex będzie obracał się tak szybko jak wał wejściowy, ale nie szybciej. Gdy sprzęgło jest rozłączone, samochód zachowuje się jak typowy pojazd z napędem na przednie koła, a koła tylne nie są napędzane (przyjmuje się, że ze względu na konstrukcję sprzęgła trafia na nie szczątkowa ilość momentu obrotowego).

Gdy sprzęgło jest w pełni włączone, prędkość obrotowa wału wejściowego i wyjściowego będzie taka sama. Co wtedy dzieje się z momentem obrotowym?

Ponieważ jednostka sterująca stale zmienia poziom nacisku na sprzęgło, podział momentu obrotowego jest dynamiczny. Możemy jednak przyjrzeć się kilku różnym scenariuszom, aby zobaczyć, jak działa system i jak moment obrotowy będzie przenoszony na podłoże w każdym z nich.

Stała prędkość

Gdy poruszamy się ze stałą prędkością, wszystkie koła samochodu obracają się jednakowo. W takim przypadku tylna oś zostaje rozłączona, a cały dostępny moment obrotowy trafia na przód. A to oznacza przede wszystkim oszczędność w zużyciu paliwa i zachowanie samochodu typowe dla modeli przednionapędowych.

Poślizg dwóch przednich kół

Przyjrzyjmy się teraz innemu teoretycznemu przypadkowi, w którym dwa przednie koła nie mają żadnej przyczepności. Dzieje się tak na przykład wtedy, gdy postawimy samochód na dwóch rolkach. Czujniki wykrywają poślizg kół i Haldex natychmiast włącza się, osiągając jednakowe prędkości na obu osiach.

Właśnie w takim przypadku sprzęgło Haldex może przenieść ponad 50% momentu obrotowego na tylną oś. Przednie koła, co widać na poniższym filmie, w ogóle się nie poruszają, a praktycznie cały moment obrotowy trafia na tylne koła.

Dlaczego tak się dzieje? To proste. Kiedy sprzęgło jest załączone, koła przednie nie mogą się poruszyć, jeśli nie poruszą się koła tylne. Aby koła obu osi poruszały się z tą samą prędkością, samochód musi przyłożyć znacznie większy moment obrotowy do tylnych kół, ponieważ właśnie tam występuje większe tarcie do pokonania.

Jest to ograniczenie mechaniczne: silnik przesyła moment obrotowy do układu, a w pełni włączony Haldex wyrównuje prędkości obrotowe obu osi. Dzięki temu do osi, która musi pokonać większe tarcie, trafia większy moment obrotowy.

Ostre przyspieszanie

Poza bardzo nielicznymi przypadkami (Lamborghini Aventador i Bugatti Veyron), większość samochodów z systemem Haldex ma napęd na przednią oś. W tego typu samochodach (np. Audi S3) typowe jest występowanie poślizgu kół przednich podczas ostrego ruszania z miejsca (TUTAJ przeczytasz o układ Transaxle).

Ten rodzaj poślizgu pojawia się, gdy układ napędowy przekazuje do kół większy moment obrotowy, niż mogą one przenieść na podłoże, dzięki swojej sile trakcji. Podczas raptownego rozpędzania ciężar samochodu skupia się wokół tylnej osi, co jeszcze mocniej odciąża przednie koła, dodatkowo negatywnie wpływając na trakcję.

Samochód sportowy Audi TT S

W modelach przednionapędowych przeciwdziała temu układ kontroli trakcji poprzez zmniejszenie momentu obrotowego. Haldex ma tutaj asa w rękawie: ponieważ korzysta z licznych czujników rozsianych po samochodzie, jest w stanie załączyć sprzęgło jeszcze zanim pojawi się poślizg. Wystarczy, aby wykrył mocne wciśnięcie pedału gazu lub załączeniu funkcji Launch Control.

Poślizg dwóch tylnych kół

Gdy sprzęgło jest zupełnie rozłączone, cały moment obrotowy zostaje przekazany na przednie koła. W takim przypadku system Haldex nie zadziała (lub nie rozłączy sprzęgła, aby odciąć napęd na tylne koła, jeśli był już włączony), a samochód będzie działał tak, jak każdy „przednionapędowiec”.

Różna przyczepność z lewej i prawej strony

Jest to nieco problematyczne, zarówno w przypadku utraty przyczepności na dwóch, jak i na trzech kołach. System Haldex nie może niezależnie przekazywać momentu obrotowego do kół. W takim przypadku zachowanie samochodu będzie zależało od tego, czy pojazd jest wyposażony w mechanizm różnicowy z blokadą (w pełni lub o ograniczonym poślizgu) lub też nie.

Przykładowo, jeśli samochód ma w pełni blokujący się mechanizm różnicowy z tyłu, będziemy mieli do czynienia z przypadkiem podobnym do tego, w którym ślizgają się dwa przednie koła: cały moment obrotowy zostanie wysłany do koła o lepszej przyczepności.

Jeśli tak nie jest, system Haldex dopasuje prędkość obrotową mechanizmów różnicowych osi przedniej i tylnej. Może to jednak nie wystarczyć, aby wyprowadzić pojazd z tej sytuacji.

Generacje sprzęgła Haldex

1. generacja (1998 r.)

Haldex po raz pierwszy został zastosowany w Audi TT, a także w Audi S3 i w Volkswagenie Golfie. Wyposażony był w elektronicznie sterowany układ hydrauliczny, który załączał tylne koła w momencie wykrycia poślizgu kół przednich.

2. generacja (2001 r.)

Sprzęgło Haldex reaguje już przy 50 stopniach uślizgu dowolnego przedniego koła, dorzucając wtedy moment obrotowy na tył. Druga generacja układu znacznie bardziej efektywnie przenosiła niutonometry (dzięki poprawionej pompie) do tylnych kół niż pierwsza, a elektroniczne czujniki i układy sterujące mogły w niej modyfikować charakterystykę, aby zapewnić jak najlepsze działanie. Od suchej nawierzchni po luźny żwir, śnieg, lód i błoto.

W przeciwieństwie do następnych generacji, pierwsza i druga były reaktywne, a nie proaktywne.

3. generacja (2006 r.)

Trzecią generację zaprojektowano z myślą o lepszej reakcji w terenie. Po raz pierwszy pojawiła się ona w nowym Land Roverze Freelanderze. Anglicy chcieli, aby centralne sprzęgło – łączące wał napędowy z tylnym mechanizmem różnicowym – było sterowane elektronicznie i mogło wstępnie załączać się w stanie spoczynku, aby ograniczyć buksowanie kół przy raptownym ruszaniu.

Kolejne wytyczne to szybkie załączanie się po wykryciu utraty trakcji i równie szybkie rozłączanie, a więc bez uszczerbku dla pracy systemów kontroli stabilności.

Land Rover Freelander 2

Układ ten musiał również przenosić moment obrotowy niezbędny do spełnienia wymagań Freelandera w zakresie jazdy w terenie. Dlatego jego największą zaletą było umożliwienie szybkiego włączenia napędu na obie osie.

Ulepszona pompa wysokociśnieniowa doładowuje tu układ hydrauliczny tuż po uruchomieniu silnika, co umożliwia załączanie napędu 4×4 przed ruszeniem z miejsca. Co więcej, w tej generacji skrócono do 15 stopni obrót kół, po jakim następuje załączenie Haldexa. Pełne przeniesienie momentu obrotowego może tutaj nastąpić po upływie zaledwie 150 milisekund, a układ jest zdolny przenieść nawet 1500 Nm!

Ta generacja sprzęgła Haldex była później stosowana w całej gamie pojazdów Volvo (produkowanych w latach 2005-2008) i w dokumentacji tej szwedzkiej marki nosi nazwę Instant Traction.

4. generacja (2007 r.)

Pod koniec 2007 roku Saab wprowadził w modelu 9-3 Turbo-X unikalną kombinację Haldexa. Układ ten, nazwany XWD (Cross-Wheel Drive), zapewniał lepszą trakcję i kontrolę nad pojazdem oraz bezpieczniejsze prowadzenie. Głównymi elementami nowego systemu Haldex były przystawka odbioru mocy (PTU), sprzęgło o ograniczonym poślizgu (LSC) oraz elektroniczny mechanizm różnicowy o ograniczonym poślizgu (eLSD).

W 4. generacji firma Haldex podjęła wysiłki w celu poprawy czasu reakcji poprzez wyeliminowanie pompy hydraulicznej, co zmniejszyło również całkowity rozmiar obudowy. Zamiast tego dodano proporcjonalny zawór uwalniający ciśnienie z akumulatorem, który jest napełniany przez pompę zasilającą.

Zapewnia to lepszą reakcję poprzez utrzymywanie zaworu w pozycji otwartej w celu ograniczenia momentu obrotowego przekazywanego na tylne koła i utrzymywanie przepływu płynu hydraulicznego w układzie. W ten sposób, gdy wymagany jest moment obrotowy na tylne koła, zawór zamyka się, a ciśnienie hydrauliczne jest już na miejscu.

Saab 9-3 Turbo X - sprzęgło Haldex

Układ XWD może przekazywać 100 procent dostępnego momentu obrotowego na koła przednie lub tylne. Aby jednak doszło do takiej sytuacji, jedna z osi pojazdu musiałaby stracić całą przyczepność, np. w trakcie jazdy po lodzie.

Podczas ruszania z miejsca używane są tylne koła. Następnie w warunkach jazdy po prostej, aby oszczędzać paliwo, rozdział momentu obrotowego na tylne koła jest ograniczany do poziomu od 5-10%. W razie potrzeby eLSD może przenieść do 85% momentu obrotowego na dowolne tylne koło, a w przypadku wystąpienia poślizgu, system może zareagować szybciej i skuteczniej niż w przeszłości.

Saab zawarł umowę z firmą Haldex na wyłączny dostęp do tej technologii przez pierwszy rok oraz na używanie znaku towarowego XWD.

5. generacja (od 2012 r.)

16 kwietnia 2009 r. firma Haldex ogłosiła podpisanie umowy o wartości 4,5 mld koron szwedzkich (ok. 530 mln dolarów) na dostarczenie Volkswagenowi nowego systemu dla nowej modułowej platformy MQB, która miała zostać wprowadzona w 2012 roku. Nowy układ wyróżnia się skróconym czasem reakcji oraz możliwością pełnej blokady, co minimalizuje jego największą wadę w stosunku do stałych napędów 4×4.

napęd 4x4 dołączany

Na tle wcześniejszych generacji jego konstrukcja ponownie została uproszczona. Obecnie sprzęgło Haldex jest wyposażone w elektrohydrauliczny siłownik sprzęgła, który rozdziela moment obrotowy pomiędzy przednie i tylne koła za pomocą odśrodkowego zaworu przelewowego.

Sprzęgło Haldex: zalety i wady

Zalety:

znakomita alternatywa dla stałego napędu 4×4
niewygórowana masa własna systemu
płynne, intuicyjne załączanie
poprawa trakcji w każdych warunkach
oszczędność paliwa
możliwość zamontowania niemal w każdym aucie z przednim napędem
duża niezawodność

Wady:

nie przekazuje stale momentu obrotowego do obu osi
wymaga stosowania specjalnego, drogiego oleju
niektóre samochody z systemem Haldex mają tendencję do podsterowności (np. Audi RS3 3. generacji)