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ControlTrac四輪駆動は、フォード モーター カンパニーが提供する選択式自動フルタイム四輪駆動システムのブランド名です。この四輪駆動システムは、1980 年代半ばにBorgWarnerのTorqTransfer Systems部門で設計および開発されました。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] BorgWarner はこのシステムを Torque-On-Demand (TOD) と呼んでいます。ControlTrac は、ソフトウェア制御を使用し、遊星歯車式またはベベルギア式のセンター ディファレンシャルを使用しない最初の自動システムでした。[ 1 ]遊星歯車式またはベベルギア式のセンター ディファレンシャルの代わりに、このシステムは可変インテリジェントロッキング センターマルチ ディスク ディファレンシャルを使用しています。[ 4 ]
ControlTracは、1995年1月12日に、第2世代フォード・エクスプローラー中型スポーツユーティリティビークルの1995年モデルとしてデビューしました。[ 1 ] ControlTracのヘビーデューティーバージョンは、1996年に第1世代フォード・エクスペディションフルサイズスポーツユーティリティビークルの1997年モデルとして導入されました。 [ 2 ]
*低速オフロード減速ギアを備えた4WDローモードはありません。
第5世代の2011年型フォード・エクスプローラー（U502）は、自動コントロールトラック四輪駆動を自動インテリジェント四輪駆動とテレインマネジメントに置き換えた。[ 5 ] [ 6 ]
電子制御式四輪駆動システムのアイデアは、1985年にボルグワーナーで生まれました。[ 1 ]ボルグワーナーの当初の設計では、ソフトウェア制御の電磁式マルチディスク（マルチプレートとも呼ばれる）クラッチパックと遊星歯車またはベベルギア式センターディファレンシャルを併用することになっていました。最初のプロトタイプシステムは粗雑で、当初のクラッチパックコントローラーはレオスタットでした。[ 1 ]
ギア付きセンターディファレンシャルは、前輪と後輪の駆動軸が異なる回転速度で回転できるようにすることで、舗装路での使用中に「駆動系の拘束」や「トルクの巻き上げ」を解消するために使用されます。インテリジェントマルチディスククラッチは、必要に応じて前輪と後輪の駆動軸間でトルクを段階的に前後に伝達し、またロックアップして前輪と後輪のトルク配分を常に50:50に固定します。[ 1 ]
1年以内に、コントローラーはより大型で複雑になった。センサーアンプと大型制御モジュールを備えたブレッドボード電子バージョンは、ステーションワゴンの後部全体を占めるようになった。入力データは、フロントドライブシャフト、リアドライブシャフト、スロットル、ブレーキ、ステアリングに設置された可変リラクタンスセンサーから得られた。目標は、電流を制御することによってクラッチの作動を制御することだった。[ 1 ]
しかし、開発プロセスが進むにつれて、ボルグワーナーのエンジニアは、巧妙なソフトウェアプログラミングによって、可変電磁マルチディスククラッチを制御し、遊星歯車式またはベベルギア式のセンターディファレンシャルの助けを借りずに、フロントとリアのドライブシャフトを異なる回転速度で自動的に回転させることができることを発見しました。オートモードでは、新しいソフトウェアアルゴリズムにより、マルチディスククラッチパックの摩擦ディスクとクラッチディスクが必要に応じて滑り、遊星歯車式またはベベルギア式のセンターディファレンシャルをシミュレートし、ギア式ディファレンシャルを不要にしました。そのため、ギア式ディファレンシャルは廃止され、最終的な生産バージョンの四輪駆動システムには搭載されませんでした。[ 1 ]
私たちは自問しました。「なぜディファレンシャルが必要なのか？」と。あれだけの鉄の塊、あれだけの重量、あれだけのコスト。しかし、ここで私たちは、ディファレンシャルがなくてもクラッチパックを非常に正確に制御できることを発見したのです。
—ロナルド・A・シェーンバック[ 1 ]
設計チームは、1989年にマルチディスククラッチの制御システムで画期的な進歩を遂げたことで、そのコンセプトに自信を深めた。閉ループ制御の開発により、その動作がスムーズになった。[ 1 ]これを使用することで、マルチディスククラッチはより小さな調整をより頻繁に行うようになった。[ 1 ]マイクロプロセッサは、20ミリ秒ごとにセンサーからの入力を確認し、フロントアクスルにさらにトルクが必要かどうかを判断する。この技術を使用することで、ユニットのコンピュータは駆動輪のスリップを監視する。フロントアクスルとリアアクスルの間にわずか0.5rpmの差でも感知すると、マルチディスククラッチに電力信号を送る。クラッチが作動し、駆動輪のスリップが解消されるまで、トルクを10%ずつフロントアクスルに配分する。その結果、システムは、わずか3分の1のホイール回転で、暴走する駆動輪の速度を制御することができた。[ 1 ]
開発初期段階で、ボルグワーナーは焼結青銅製のクラッチ材を使用していたが、このクラッチ材は「スティックスリップ」と呼ばれる動作状態を示した。この滑り現象をきっかけに、エンジニアたちは金属の上に紙ベースの素材を載せたものに置き換えることを思いついた。紙は摩擦係数が優れており、滑りの問題を解決した。この解決策はボルグワーナーの自動変速機部品部門によるものとされている。[ 1 ]
しかし、熱は依然として問題であることが判明した。過度の熱蓄積により、新しいクラッチ材料が焼き切れてしまう。この問題を解決するために、エンジニアはクラッチのトルク容量を研究した。過度の熱蓄積は、クラッチのトルク容量が不十分であることが原因であると判明した。エンジニアはシステムの容量を増やし、テスト車両群を装備して、南カリフォルニアのアンザ・ボレゴ砂漠に持ち込んだ。彼らは合計11回の走行を行い、プロトタイプを熱、山道走行、深い砂地にさらし、インテリジェントマルチディスククラッチにほぼ連続的なトルク供給を要求した。最初は、環境によってクラッチがすぐに焼き切れてしまった。しかし、エンジニアが知識を得るにつれて、クラッチは改善された。最終的に、エンジニアはクラッチパックを十分に改良し、テスト車両が過酷なオフロード使用で事実上破壊されても、クラッチパックは良好な状態を保つことができるようになった。[ 1 ]
ControlTracには、使用される車両に応じて、さまざまなドライブモードと、それらのドライブモードの動作特性があります。たとえば、Ford Expeditionでは、オートモードで新しいオートロック機能が使用されました。当時、Explorerではオートロック付きのオートモードは利用できませんでした。[ 2 ]
エクスプローラーは、1995～1996年モデルイヤーを除いて、主に2 ハイモードを搭載していませんでした。1998年以降のモデルイヤーでは、2 ハイは利用できませんでした。オート、4 ハイ、4 ローモードのみが提供されました。2 ハイモードはエクスペディション独自の機能でしたが、1999～2002年モデルイヤーの間に廃止されました。2 ハイモードは、2003年モデルイヤー向けに再設計された第2世代エクスペディション（U222）で再導入され、真空作動式のフロントロッキングハブを備えた新しいフルフロントアクスルディスコネクトシステムを搭載し、舗装路での静かで燃費効率の良い動作のために必要でないときにフロントアクスル、フロントディファレンシャル、フロントドライブシャフトを切り離しました。[ 7 ]フォードは、改良された2 ハイモードにより、ガソリン1ガロンあたり最大0.5マイルの燃費向上に役立つと主張しました。 [ 7 ] 2 ハイモードでは、トルクは後輪駆動のみに伝達され、後輪駆動を模倣します。
エクスプローラーとエクスペディションの両方に搭載されているオートモードは、必要に応じて舗装路で全天候型のフルタイム四輪駆動機能を提供します。オートモードでは、エンジンのトルクは通常、後輪駆動に伝達されます。このシステムについてよくある誤解は、必要に応じて四輪駆動に連続的に切り替わるというものです。これは正しくありません。オートモードを選択すると、フロントアクスルハブが常時接続され、フロントアクスルシャフト、フロントディファレンシャル、およびフロントドライブシャフトにロックされます。これは、車両が高速で走行しているときにフロントドライブシャフトが常に回転するようにするためです。コンピューター制御システムは、フロントドライブシャフトが回転することで、フロントドライブシャフトとリアドライブシャフトの両方の回転速度を監視および比較できます。リアドライブシャフトがフロントドライブシャフトよりも速く回転し始めると、システムはそれを（他のセンサーからの入力とともに）トラクションロスと解釈します。トラクションロスが検出されると、センターマルチディスククラッチを介して、トルクが10%ずつフロントディファレンシャルに送られます。その際、インテリジェントな制御ソフトウェアにより、中央のマルチディスククラッチがギア付きセンターデフのように動作し、「ドライブラインの拘束」や「トルクの巻き上げ」が発生しないようにします。
2000年代初頭、ControlTracはアップデートされ、システムの人工知能を基盤としたより高度なソフトウェアプログラミングを備えた2002年に導入されました。[ 8 ] 4輪駆動システムのアップデートされた人工知能により、システムはトラクションロスが発生する前に予測できるようになり、必要な前にトルクを伝達できるようになりました。[ 7 ] [ 8 ]この改善により、システムはトラクションロスが発生するまで「待つ」必要がなくなったため、他の「常時オン」のフルタイム4輪駆動システムのように動作できるようになりました。[ 8 ]もう1つの改善は、オートモードでの前後「トルクバイアス」機能です。ControlTracのインテリジェントマルチディスクディファレンシャルは、深刻なトラクションロスが予測、予見、または検出された場合、エンジンのトルクの100パーセントすべてを前方に送り、それをフロントディファレンシャルにバイアスすることができます。[ 8 ]
ExplorerとExpeditionの両方に、4つのハイモードと4つのローモードが搭載されています。4つのハイモードでは、インテリジェントロッキングマルチディスクディファレンシャルがロックされ、50:50のトルク配分が永久的にロックされます。[ 4 ]フロントとリアのドライブシャフトは完全にロックされ、トラクションの状態に関係なく同じ速度で回転します。4つのローモードでも、インテリジェントロッキングマルチディスクディファレンシャルがロックされますが、BorgWarnerトランスファーケースにローレンジオフロード減速ギアを選択するように指示します。[ 4 ]減速ギアは、車両の速度を管理可能なクロールまで減速し、エンジンから供給されるトルクを増加（乗算）するために使用されます。したがって、駆動輪は低速で車両を動かすのに十分なトルクを得ます。また、急勾配を下るときに下降速度を制御し、車両のオフロードクロール比を向上させるためにも使用されます。
四輪駆動ハイモードと四輪駆動ローモードは、いずれも舗装路では使用できません。「駆動系の固着」や「トルクの巻き込み」が発生し、四輪駆動システムに損傷を与える可能性があるためです。
自動制御式コントロールトラック4輪駆動システムは、4輪電子トラクションコントロールを含むアドバンストラック電子安定制御と組み合わせることができます。この2つのシステムの組み合わせは、このように装備された車両が、1つの車輪にトラクションがかかっているだけでも前進し続けることができるため、革新的です。[ 7 ]アドバンストラックの4輪電子トラクションコントロールシステムは、車両の4輪4センサー4チャンネルアンチロックブレーキシステム（ABS）を使用し、フロントまたはリアの駆動アクスルのディファレンシャルを積極的に「ブレーキロック」することでディファレンシャルロックをシミュレートする追加のアンチスリップロジックがプログラムされています。フロントとリアのディファレンシャルをABSブレーキロックすることで、トルクの最大100パーセントを任意の1つの駆動輪に送ることができ、駆動輪の2つ（フロント1つ、リア1つ）が完全に地面から離れていても、車両は動き続けることができます。[ 7 ]
ControlTrac IIは、ビスカスカップリングユニットをベースとしたフォードの四輪駆動システムでした。ビスカスカップリングは、従来の四輪駆動車に用いられていたセンターデフに取って代わるものでした。このシステムは前輪駆動で正常に作動しましたが、前輪の駆動に加え、後輪のビスカスカップリングに繋がるシャフトにも動力が伝達されました。前輪がスリップすると、ビスカスカップリングが徐々に後輪へのトルクを解放します。さらに、ControlTrac IIシステムは四輪駆動のメカニカルロック機能を備えていましたが、ローレンジギアは搭載されていませんでした。
ControlTrac IIはその後、自動インテリジェント四輪駆動システムに置き換えられました。これは、ビスカスカップリングをコンピューター制御のクラッチに置き換えた、ControlTrac IIと同様のシステムです。インテリジェント4WDシステムは、機能的にはControlTrac IIシステムとほぼ同じように動作し、主に前輪を駆動し、状況に応じてのみ後輪にトルクを伝達します。また、インテリジェント4WDシステムには、ControlTrac IIが備えていた機械式ロック機構がありません。