四驅榮光─Quattro Ultra

「真的不一樣。」早上開著 Q5 上山,下午拎著 A3 逛市區。無論沒屁股的 A3 (A3 Sportback) 車尾多活潑,彎中 Q5 四驅的感覺就是不一樣。我很想說,以後再也不開沒四驅的車了,但是 FR、MR、RR 車款還一堆,沒有試過怎麼算數?

車是買了,但你的車上有什麼技術你知道嗎?

quattro,是義大利文數字的「四」,也是 Audi 引以為傲的四輪驅動系統,更曾是 Audi 車款名稱 (如傳奇拉力賽車 Audi Sport Quattro)。2016 年,新一代 Audi A4 allroad quattro 發表,引起全球車迷討論,因其搭載了 Audi 最新一代四輪驅動技術 quattro ultra。就此平地一聲雷 (硬核派眼神死),quattro ultra 技術出現在世人面前。

Audi quattro 首次於 1980 年瑞士日內瓦車展亮相
Michèle Mouton 的 Audi Sport Quattro (2006 年 Goodwood Festival of Speed,圖片來源)
2016 年,Audi A4 allroad quattro 發表
40 年來,quattro 歷經多次革新。今天的主角是 2016 年的 quattro ultra

ultra,代表越級、超越。如同科技業掀起的「ultra」浪潮,ultra 也代表 Audi 新一代的設計理念。來看看 Audi 官網怎麼說:

“Audi ultra. The name Audi ultra brackets together all efficient technologies from Audi that jointly pursue the goal of further reducing CO2 emissions and fuel consumption. This includes improvements in many areas, especially advances that have been made in lightweight technology and conventional drive technology.”

「Audi ultra,是 Audi 所有高效率技術的集合,以進一步減少二氧化碳排放和燃油消耗。其包括許多方面的改進,尤其是在輕量化技術和改良傳統驅動技術上。」

這個宣示一目了然,改革重點一是輕量化,二是改良傳統驅動技術。新一代 quattro 在蘊含 Audi 最新 ultra 理念的同時,也摒棄了大名鼎鼎的托森 (Torsen,扭距感應) 機械式中央差速器,轉而採用電子控制的多片離合器式四驅系統。

除了 A4 allroad quattro,第二代 Q5 也使用 quattro ultra 技術
quattro 不是單一設備,而是由多個子系統組成的一整套技術

常見於四驅系統的托森式限滑差速器,是一種全自動純機械式的限滑差速器,非常可靠耐用,而且反應迅速,因純機械結構和零延遲特性而大受歡迎。但捨棄托森的 quattro ultra 不只是改變結構形式,更是思惟邏輯的革新。過去的四驅系統只能在輪胎失去抓地力時作動,屬被動回應,quattro ultra 則是採取主動,以每秒鐘 100 次的速率 (10ms) 偵測來自全車的 150 個饋入信號,包括 (但不限於) 當前的海拔、氣溫、濕度、地形等數據,然後根據當前車輛及環境狀態即時判斷。當學習到足夠的資訊後,quattro ultra 能預判未來 50ms 的輪胎摩擦力,需要時用 20ms 切換到四驅模式 (大概是眨半次眼的時間)。換句話說,quattro ultra 每秒鐘會幫你掃描車況一百次,時時預判未來 0.5 秒會發生的狀況,並在需要時以 0.2 秒切換到四驅,以期發揮最大抓地能力。

整套 quattro ultra 其實包含多個子系統
條件允許時,多片式離合器鬆開,斷開與後軸的連接
後差速器脫離,後輪傳動軸停止作動
發生速差後,前方多片式離合器壓緊,連接傳動軸 (成為一條硬軸)
後差速器耦合,取得來自前軸的動力

quattro ultra 的創新,我認為在於主動監控,而非托森結構的取捨。因為在進入電動車世代之後,單一動力驅動的時代已經過去,車輛是由兩具到三具不等的馬達驅動,而非單一引擎。屆時,只要將監控數據饋入中央處理系統,然後依需要調整各馬達的出力即可獲得最佳的四輪循跡性。進入到這個世代後,純機械的托森系統英雄無用武之地,就好比槍砲問世後大刀只能徒呼負負。

電動車 e-tron 前一後二顆馬達,連中央差速器都不用了,直接透過訊號控制馬達出力就可以達到扭矩分配

不過由於過去 Audi quattro 全時四輪驅動戰績實在輝煌 (不過 Lancia 更強啊),捨棄機械托森的 quattro ultra 掀起半天浪。硬核派認為不是機械托森,就不是 quattro。不過單說 Audi 偷料 (托森機械中差昂貴) 太膚淺,因為 Audi 高扭力車款仍然使用七代機械 quattro。進入電動車世代後,Audi 機械結構上的優勢不再,只能靠主動式監控技術的經驗和調校取勝。能否再創高峰,我們且看四環品牌如何保持過去榮光。

Audi 和 Lancia,當是 80 年代 WRC 賽事上最耀眼的兩支車隊
越危險的比賽,越是讓人熱血沸騰。WRC Group B 甚至因為車手傷亡而宣布永久停賽
看到起雞皮疙瘩,看到流淚

為了想要多了解一下這套系統 (不過全台買到 quattro ultra 的車主不多。台奧你賣車要加油),我上網找了資料。我的問題很簡單,就是 quattro ultra 如何預判未來 0.5 秒的車輛動態,還有行進間何時採四驅,何時採前驅模式?結果資料越找越多,越找越入迷。

先來看為什麼要設計這套 quattro ultra 系統。Audi 四輪驅動開發總監 Dieter Weidemann 受訪時表示,他們發現四輪驅動時動力損耗有 80% 是來自後軸,因為要驅動後軸差速器之故。全時驅動下必須隨時隨地讓前後軸連接,所以避免不了功率損耗 (後軸差速器很重的)。Audi quattro ultra 主要設計目的,是為了讓車輛隨時保持最佳的循跡性,因此在適當條件下會切斷連接到後軸的動力,讓前後軸完全斷開,以減少傳動與摩擦的能量損耗,追求更高的燃油效率。當預判需要時,再快速地讓四輪驅動介入。

2016 年初的媒體試駕。此時 A4 allroad quattro 尚未發表
這位就是 quattro ultra 的推手 Dieter Weidemann。螢幕上是 quattro ultra 技術監控的信號來源
quattro ultra 監控的參數。左側紅圈是摩擦力圈 (circle of force)

斷開前後軸差速器,是否真能達到節能效果?在瑞典進行冬季測試時,Dieter Weidemann 團隊設計了一個實驗來測量轉動差速器所需的功率,並檢視斷開連接後可以節省多少能量。結果顯而易見,在負 20 度 C 環境下,斷開前後軸的測試車,一個小時後差速器油溫上升到負 10 度;連接前後軸的測試車,一個小時後差速器油溫卻上升到 30 度 C。只讓油溫上升 10 度 C 所需的能量遠比上升 50 度 C 來得低。

決定斷開前後軸有助於能源效率後,接下來是驅動形式的選擇。選擇之一是前輪/全輪驅動,另一個是後輪/全輪驅動。在開發和測試 quattro ultra 時,Audi 內部使用了三輛 S4 sedan。一部使用現行的托森機械式中央差速器,一部使用前輪/全輪驅動 ultra,第三部使用後輪/全輪驅動 ultra。最後淘汰了後輪/全輪驅動,理由竟然是「轉向過度」。

這一點就是讓硬核派哀號的原因之一,因為過去的機械托森開起來的感覺偏後驅,且駕駛者多半認為後驅比較有樂趣。不過一般都會型車主,其實更需要的是實用和節能。所以血液中辛烷質高或是懷念大馬力五缸引擎的車主,去找台 RS5 吧 (Audi 五缸引擎是我的另一個夢想)。

變速箱和 quattro ultra 控制系統,採前輪/全輪傳動,左側連往後軸
中間紅色的是傳動軸,後方則是差速器
前方中斷連接後,後差速器脫離,後輪傳動軸停止作動

Dieter Weidemann 解釋說:「我們在幾種條件下進行了比較,特別是在極地附近測試場地的低抓地力情況下。」

「我們檢視了這些測試車輛的動態,並比較將重量配置在前軸或後軸有什麼差異。答案很清楚,直接以前軸驅動的車身動態遠比後軸驅動來得好。」

「直接用後軸驅動的問題,在於一開始時更容易傾向轉向不足,但將扭力傳到後軸後,又會轉向過度。」

「這遠無法達成我們想要的中性,而且我們想避免一開始時的轉向不足 (這一點很重要)。直接以前軸驅動時車子轉向不足的情形要輕微得多,因為前輪會將您拉進彎道內。」

「壓上離合器片接上全輪驅動後,可以得到非常好的行駛動態,並取得中性到稍微轉向過度的趨勢。」

另外,Dieter Weidemann 表示 quattro ultra 其實沒有扭矩限制,但他們無意用它取代大扭力車型 (>500nm) 上的傳統托森,因為這些車主和購買 quattro ultra 系統的車主對油耗的重視程度不同,所以目前也沒有開發性能版 quattro ultra 的打算。

「技術開發出來後,您還是得時時注意市場在哪邊。」

知道開發理念後,下一個要探究的是 quattro ultra 的作動時機。我上網找了幾段影片,發現一些珍貴的畫面。其中之一是 2016 年 3 月,Audi 和媒體 (應該是德國媒體) 在奧地利因斯布魯克附近進行了一段試駕。

Weidemann 隨車和媒體解釋 quattro ultra 的作動時機

這段影片中,Dieter Weidemann 隨車和媒體共駕了一段路,並且展示 quattro ultra 的作動時機和原理。在連接到車輛系統的 iPad App 中,可以看到許多監測項目。在四驅模式下,App 背景會變成藍色,前驅模式下則是綠色。Dieter Weidemann 表示,任何時間車輛起步,預設都是四驅模式。quattro ultra 是在「條件允許」下才會切換成前驅模式。所以 quattro ultra 本質上還是以四驅為出發點,而且脫困能力猶勝以往。

iPad 背景為綠色時,表示 A4 allroad quattro 正以前輪驅動 (畫面上連前後軸動力都繪製出來)
背景切換成藍色,表示處於四驅模式。畫面上可以看到監控中的多項參數

上路後,quattro ultra 就會開始透過所有監測到的訊號進行「學習」(可由 App 上的摩擦力環看到),然後轉換成可執行的分析。從 App 可以看到 quattro ultra 會根據車主的駕駛習慣和路況,決定切換全輪/前驅的時機,以取得最好的循跡能力。判斷時會參考車主的 Audi drive select 模式,Dynamic (動態) 模式下四驅介入的時機會較多,Auto (自動) 則是依據監控到的車主駕駛性格,而 Economic (經濟) 則是會盡可能切換到前輪驅動,以取得最好的燃油效益。

為了盡可能做到零遲延,車上使用高速信號傳輸,切換模式僅需 20ms。當然,可以預期的是,可向前預判的時間會越來越長,切換時間則會越來越短。一直守在機械托森,絕對不是科技先行者 Audi 的作風。

最終,這一段 102 公里的媒體試駕路線,四輪驅動時機占比 51.5%,quattro ultra 切換到四驅模式 28 次。我相信,在台灣路狹人稠的駕駛環境中,四驅啟動的情形絕對不僅於此。

試駕後查看方才監測的數據
綠色路段採前輪驅動,紅色路段採四輪驅動
測試路線 102 公里,四輪驅動占比 51.5%,啟動次數 28 次

另一段影片,來自於 2016 年 12 月份的 Audi Q5 媒體試駕。同樣是由 Weidemann 隨行講解。萬幸,這次他說的是英文。

2016 年 12 月,Weidemann 參與了二代 Q5 在墨西哥的媒體發表會
新版 iPad App 的 UI 漂亮多了。紅色背景代表車輛正處於四輪驅動模式
白色背景代表目前車輛以前輪驅動
如果想要持續保持四輪驅動,從 Audi drive select 中選擇 “offroad” (越野) 模式即可
將 Q5 開進沙地。可以看到左側摩擦力圈突然變小,代表資訊不足尚待學習,此時四驅介入更為積極
學習夠多 (饋入資訊夠多) 後,摩擦力圈會逐漸放大,代表要出現更極限的條件才會讓四輪驅動介入
「你是個 efficient driver (效率型車主)。」「我才不是!(I’m not!!)」「你自己看畫面。」「!@#!@#!」
「我不是 efficient driver!!」「踩用力一點吧,老哥。」「我呸!」「有啦,醬就有 Auto 了。」
被說是軟腳蝦,沒人可以接受。這位媒體老兄奮力表現,總算跳到 dynamic 模式了
除了記錄油門深度,也會記錄踩踏時間 (最下一行)。右側兩行則是監測是否有 micro slip (微打滑)
這一段 23 公里的路,前輪驅動占比 75%,四驅模式啟動 14 次。其實需要四驅的場合沒有我們想像的多
另一種分析模式的圖表。紅色為四驅,白色為前驅
駕駛行為分析。綠色是 efficient (效率型),白色是 auto (自動),紅色才是 dynamic (運動型) 駕駛模式

quattro ultra 當然不完美,除了離合器片有散熱問題 (但這也是所有電控四驅系統的通病),耐用性也不如機械中差 (尚未實證)。但從被動回應轉換成主動監控,絕對是未來車輛的趨勢。可以預判未來 0.5 秒的科技,我認真地收下了。

2016 年初媒體試駕影片。此時 A4 allroad quattro 尚未發表
2016 二代 Q5 墨西哥發表,媒體試駕

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