Sprzęgło Haldex IV: czy może przenieść 100 proc. momentu na tył?

Haldex jest typem mokrego, wielopłytkowego sprzęgła ciernego, umieszczonego pomiędzy wałem napędowym a mechanizmem różnicowym tylnej osi.

W poprzednich jego generacjach było ono sterowane ciśnieniem powstałym na skutek różnic prędkości obrotowych przedniej i tylnej osi. Przenoszony moment napędowy zależał od wartości ciśnienia, z jakim są ściskane tarczki sprzęgła. W ten sposób tylne koła w wyniku poślizgu przednich zaczynały się obracać.

W najnowszej generacji haldexa ciśnienie hydrauliczne ściskające tarczki sprzęgła wytwarzane jest za pomocą pompy elektrycznej. Przenoszenie momentu napędowego reguluje sterownik napędu na cztery koła za pośrednictwem elektrozaworu regulacji stopnia otwarcia sprzęgła. Różnica prędkości obrotowych kół przedniej i tylnej osi nie jest już podstawą załączenia sprzęgła Haldex 4. generacji.

Dzięki temu rozdział momentu na poszczególne osie oraz koła zależny jest od sposobu jazdy oraz sytuacji podczas jazdy. W przypadku ekstremalnego poślizgu przednich kół sprzęgło to jest w stanie przenieść cały moment napędowy na tylną oś. W tym momencie zaczynają się komplikacje.

Producent twierdzi dokładnie to, co napisałem powyżej - haldex może przenieść cały moment obrotowy na dołączaną oś. Praktycy twierdzą, że jest to niemożliwe z uwagi na budowę takiego układu napędu na cztery koła. Według nich rozdział momentu może występować jedynie w zakresie od 100-0 na przód do 50-50. Kto ma rację?

Z reguły kiedy mówimy o samochodach z napędem na cztery koła, pojawia się pytanie o rozdział momentu napędowego. Mówiąc 40:60, mamy na myśli przypadek, kiedy 60 proc. momentu przekazywane jest na tył, a reszta na przód. Tak jest jedynie wtedy, kiedy auto jedzie na wprost ze stałą prędkością.

W przypadku Haldexa IV jest nieco inaczej, bo pomimo możliwości realizacji takiego podziału momentu (przekazywania większej jego części na tylne koła), tylne koła nigdy nie będą obracały się szybciej od przednich. Z konstrukcji Haldexa - opisanej dalej - jasno wynika, że prędkość obrotowa kół może się zmieniać w stosunku od 100:0 do 50:50 (przód:tył).

Nie ma fizycznej możliwości, aby tylne koła kręciły się szybciej niż przednie, bo nie ma centralnego mechanizmu różnicowego. A to właśnie z prędkością obrotową myli się często rozdział siły napędowej. Zatem możliwe jest, aby większość momentu przekazywana była na tylną oś w układzie z haldexem.

Rozdział momentu napędowego może osiągać wartości blisko 0:100 (przód:tył). Dzieję się tak w przypadku, kiedy przednie koła są uniesione, a tylne na jakimś podłożu. Na przednie koła trafia tylko tyle momentu, ile jest potrzebne do pokonania oporów układu napędowego.

Na tylne z kolei trafia reszta momentu napędowego generowanego przez silnik, czyli w tej sytuacji blisko 100 proc. W momencie, kiedy dojdzie do pełnego zablokowania sprzęgła haldex, to wszystkie koła obracają się z taką samą prędkością, ale prawie cały moment trafia na tył.

Spójrzmy na początek, jak moment napędowy generowany przez jednostkę silnikową jest przekazywany na koła jezdne. W pierwszej kolejności trafia oczywiście na koła zębate skrzyni biegów, skąd przez czołowe koło zębate przekazywany jest do mechanizmu różnicowego przedniej osi.

Ten natomiast połączony jest z przekładnią kątową, która przekazuje moment dalej na wał napędowy. Bardzo dobrze ilustruje ten etap rysunek poniżej. Dalej pozostaje już tylko nierozbieralny przegub równobieżny, który łączy krótszy wał napędowy z wałkiem wejściowym sprzęgła haldex.

Przejdźmy teraz do samej jego budowy sprzęgła.

Pod względem funkcjonalnym można w sprzęgle Haldex wyróżnić dwa układy: mechaniczny oraz elektrohydrauliczny. Układ mechaniczny zapewnia siłowe połączenie między napędem przedniej i tylnej osi. Tłok roboczy, który ściska pakiet tarczek sprzęgła, jest dociskany w wyniku ciśnienia generowanego przez pompę hydrauliczną. Siła, z jaką dociskane są tarczki, definiuje wielkość momentu napędowego przenoszonego na koła tylnej osi.

W przypadku Škody Octavii II maksymalna wartość momentu napędowego, jaką może przenieść sprzęgło Haldex IV generacji, to 2000 Nm. Jak widzimy, w przypadku ekstremalnych modyfikacji silnika prędzej poukręcamy półosie i zmielimy skrzynię biegów, niż "klęknie" haldex. Sercem tego rozwiązania jest wielotarczowe sprzęgło mokre, składające się z wałka wejściowego, pakietu tarczek oraz kosza sprzęgła.

Wałek wejściowy jest połączony z wałem napędowym. Pakiet tarczek składa się z na przemian ułożonych tarczek ciernych i stalowych. Tarczki cierne mają zęby na wewnętrznym obwodzie i są nasunięte na wałek wejściowy. Z kolei tarczki stalowe mają zęby na zewnętrznym obwodzie i są połączone z koszem sprzęgła. Liczba tarczek zależy od modelu samochodu.

Kosz sprzęgła na swoim wewnętrznym obwodzie ma wytłoczone rowki – rodzaj wielokarbu. Dzięki nim połączony jest z wałkiem wyjściowym, który przekazuje moment napędowy na mechanizm różnicowy tylnej osi. Oprócz tego kosz sprzęgła połączony jest także z tarczkami stalowymi poprzez ich zęby na zewnętrznym obwodzie.

Tarczki dociskane są przez tłok roboczy (zielony kolor na rys. powyżej). Jako że ten jest nieruchomy, a tarczki cierne umieszczone na wałku wejściowym obracają się razem z nim, to pomiędzy tłokiem a tarczką oporową, która zamyka pakiet tarczek z każdej strony, znajduje się łożysko igiełkowe (kolor żółty). W momencie załączenia sprzęgła tarczki są ściskane z pewną siłą.

Wraz ze wzrostem tej siły tarcie pomiędzy tarczkami ciernymi i stalowymi rośnie, a co za tym idzie - obroty wałka wyjściowego (połączonego z koszem, a dalej z tarczkami stalowymi) wyrównują się z obrotami wałka wejściowego (połączonego z tarczkami ciernymi). W przypadku maksymalnego ciśnienia działającego na tłok roboczy prędkość obu wałków jest taka sama.

Układ mechaniczny zasadniczo nie przeszedł dużych zmian w porównaniu z poprzednią generacją sprzęgła Haldex. Jest on bardzo podobny i jego działanie wciąż pozostaje takie samo. Główną nowością, tak jak wspomniałem na początku, jest sterowanie ciśnieniem oleju, który dociska tłok roboczy. W tym momencie wkracza do pracy cały układ elektrohydrauliczny. W jego skład wchodzą:

• pompa sprzęgła,
• filtr oleju,
• akumulator ciśnienia oleju,
• sterownik napędu na cztery koła,
• elektrozawór regulacji stopnia otwarcia sprzęgła.

Tłokowa pompa elektryczna zapewnia wytwarzanie ciśnienia oleju w sprzęgle poprzez zasilanie akumulatora ciśnienia oleju.

Pompa włączana jest w zależności od potrzeb przez sterownik napędu na cztery koła. Akumulator ciśnienia oleju ma niewielkie wymiary. W jego wnętrzu znajdują się trzy sprężyny umieszczone współosiowo, które napierając na tłok znajdujący się wewnątrz, zapewniają utrzymywanie ciśnienia na poziomie 3 MPa.

Elektrozawór regulacji stopnia otwarcia sprzęgła reguluje ciśnienie oleju doprowadzanego do tłoka roboczego. Wartość ciśnienia zależy od natężenia prądu sygnału sterującego. Każdej wartości prądu odpowiada ściśle określone ciśnienie oleju. Spójrzmy na sposób działania elektrozaworu.

Pompa wytwarza ciśnienie 3 MPa, które jest gromadzone w akumulatorze ciśnienia. Prąd przepływający przez cewkę elektromagnetyczną w elektrozaworze powoduje wciąganie rdzenia elektromagnesu do środka. Siła, z jaką jest on wciągany, zależy od natężenia prądu. W wyniku przesuwu rdzenia tłok również się przemieszcza, umożliwiając tym samym przepływ oleju pod ciśnieniem do tłoka roboczego sprzęgła.

Po osiągnięciu zadanego ciśnienia roboczego wytwarza się równowaga sił działających na tłok regulacyjny i następuje zamknięcie zarówno dopływu, jak i odpływu oleju. Zadane ciśnienie działające na tłok roboczy jest utrzymywane na stałym poziomie.

Ciśnienie robocze działa na tłok regulacyjny poprzez komorę regulacyjną. Siła nacisku sprężyny oraz ciśnienie, które napiera na tłok w tym samym kierunku, przeciwdziałają sile wytwarzanej przez elektromagnes. Jeśli przez cewkę elektromagnesu przepływa maksymalny prąd, przepływ oleju pozostaje stale otwarty i na tłok roboczy działa pełne ciśnienie oleju.

W momencie wyłączenia sprzęgła tłok regulacyjny wraca na swoją pozycję spoczynkową w wyniku przerwania przepływu prądu przez cewkę elektromagnetyczną. Odpływ oleju do zbiornika zostaje otwarty, przez co ciśnienie robocze spada.

Ważnym elementem całego układu napędu na cztery koła z użyciem sprzęgła Haldex jest oczywiście sterownik napędu, który decyduje o włączaniu pompy sprzęgła oraz steruje pracą elektrozaworu. Sterownik napędu na cztery koła podłączony jest do magistrali CAN, dzięki czemu potrzebne było zastosowanie tylko jednego dodatkowego czujnika – czujnika temperatury oleju.

Wartość przenoszonego momentu na tylną oś nie zależy już tylko od różnicy prędkości obrotowych obu osi, a od konkretnej sytuacji na drodze. Sterownik czyta informacje m.in. z czujników ESP, ABS itd. Na podstawie ich analizy decyduje o stopniu otwarcia elektrozaworu i tym samym o wartości momentu napędowego, jaki ma być przeniesiony na tylną oś.