差速器如何在弯道中分配动力?
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差速器是一种齿轮机构,它将发动机产生的扭矩分配给同一车轴上的两个车轮,并允许车轮以彼此不同的速度旋转. 转弯时,由于外侧车轮比内侧车轮行驶的路径更长,因此必须转动得更快; 差速器以机械方式管理这一速度差. 在做到这一点时,它遵循一条基本规则: 冠齿轮的转速恰好是两个车轮转速的平均值.
要点
- 差速器将来自传动轴的动力分配给左右车轮对,并允许速度差的存在.
- 速度方程非常明确: 车轴速度等于两个车轮速度的平均值.
- 在开放式差速器中,扭矩始终相等地传递给两个车轮; 抓地力最弱的车轮决定了极限.
- 齿轮系统通过三个啮合点工作,通常可提供94%-97%的效率.
- 汽车用途的专利由Onésiphore Pecqueur于1827年获得.
差速器为什么必须存在?
你可以通过一个简单的几何实验来解决这个问题. 想象你让一辆车驶入一个狭窄的弯道: 轨迹上的外侧车轮沿着一个更大的圆前进; 而内侧车轮则沿着一个较小的圆行驶. 外侧车轮必须在相同时间内行驶更长的距离,因此它必须比内侧车轮转得更快. 这个差距比你想象的要大; 弯道半径越小,速度差就越大.
想象将两个车轮刚性连接在同一根轴上. 在这种情况下,内侧车轮试图比其路径所需的转速转得更快,因此会受力打滑; 外侧车轮则因为无法转得足够快而发生拖滑. 这种情况不仅会磨损轮胎底部: 并在半轴和整个传动系统中持续积累应力. 卡丁车和某些有轨电车没有差速器也能运行,但它们是故意接受弯道中车轮打滑的设计; 对汽车而言,这种方案是不可持续的.
差速器因此有四个不同的任务: 通过小齿轮与齿圈这对组合将动力方向改变约90度,在同一车轴的两个车轮之间分配动力,通过齿轮减速增加扭矩,并允许两个车轮以彼此不同的速度旋转. 这四项任务都在同一个紧凑的壳体内解决.
差速器在弯道中如何分配动力?
答案隐藏在其内部结构中. 来自变速箱的旋转通过小齿轮传递给冠齿轮; 冠齿轮承载着差速器壳体(carrier). 壳体内的小行星齿轮(s Spider齿轮)将两个半轴齿轮(side gear)连接在一起,半轴齿轮再将扭矩传递给车轴. 也就是说,动力的传递路径如下: 小齿轮到冠齿轮; 冠齿轮到壳体; 壳体到行星齿轮; 行星齿轮到两根车轴.
直线行驶和转弯时有什么变化?
在直路上,两个车轮遇到相同的阻力,行星齿轮不会绕自身轴线旋转; 系统像一个整体块运转,两个车轮都以齿圈的速度转动. 而当您左转弯时,内侧的左太阳齿轮会表现出更大的阻力. 阻力差使行星齿轮绕自身轴线旋转,正是这一额外旋转在减慢内侧车轮的同时,以相同比例加快外侧车轮. 该机构将阻力差瞬间转化为速度差.
所有这些的数学总结只有一行: 车轴的转速等于两个车轮速度的平均值. 外侧车轮加速多少,内侧车轮就减速多少; 总量保持不变. 这种对称性是使差速器易于理解的基本逻辑.
在效率方面,情况也不错: 每组齿轮啮合约产生1-2%的损失. 从变速箱经三个接触点传递到半轴的系统,通常以94-97%的效率工作.
开放式差速器的弱点: 车轮为什么会空转?
开放式差速器最关键的特点,是其结构会将扭矩均等地传递给两个车轮. 这在弯道中看似无害,但在失去抓地力时会导致严重后果: 传递到两个车轮的扭矩,会降低到抓地力最弱的车轮所能承受的水平. 简而言之,最弱的车轮限制了整个车轴.
让我们具体化. 假设您的车辆一个车轮位于结冰或泥泞的地面上,另一个车轮位于干燥的沥青上. 冰面上的车轮无法抓地; 开放式差速器将动力导向这个空转的车轮,而干燥地面上真正能提供抓地力的车轮几乎得不到任何动力. 车辆无法脱困. 与一个常见误解相反,动力并不会流向对面的车轮; 恰恰相反,它积聚在打滑的车轮上.
出弯时也是同样的物理原理. 以强劲加速出弯时,车辆重量向外侧转移; 这会减轻内侧车轮上的载荷,从而降低其抓地力. 开放式差速器开始转动这个载荷变轻的内侧车轮,动力被切断,您会感到动力损失. 它在驾驶中的表现大家很熟悉: 在弯道中踩油门时,眼前的加速突然中断,扭矩白白流失.
限滑差速器(LSD)创造了什么不同?
限滑差速器是开放式差速器与锁止式差速器之间合理的折中方案: 在正常条件下它表现得像开放式差速器,而当车轮之间的速度差超过某个阈值时,它开始表现得像锁止式差速器. 这种切换通常通过一组离合器片或粘性联轴节(viscous coupling)系统实现.
回到上面结冰的例子: 当一个车轮开始打滑时,LSD会阻止打滑车轮自由过度旋转,并确保扭矩也传递到干燥地面上的车轮. 而在弯道的例子中,结果是这样的: 当内侧车轮试图空转时,离合器系统会对车轴两侧施加摩擦,将扭矩引导至外侧车轮. 不会出现动力中断,出弯加速得以保持. 这种可预测的抓地表现,是LSD在高性能车辆上受到青睐的主要原因.
LSD也有一段已知的历史: 托森式限滑差速器由Vernon Gleasman于1958年获得专利. 除了购买价格之外,还需要考虑到带LSD的车轴可能比开放式差速器需要更多的维护; 离合器片或粘性部件会随着时间推移需要检修.
锁止式差速器与扭矩矢量分配: 谱系尽头的方案
锁止式差速器是一种更激进的方案: 无论抓地状态如何,它都会像一根车轴那样让两个车轮同步转动. 它彻底避免了在泥地、雪地或岩石地形中一个车轮空转而把你困在原地的情况; 因此它最常出现在越野车辆上. 它的代价也很明显: 在柏油路弯道中,两个车轮被迫以相同速度转动,会在轮胎和传动系统中产生不必要的应力.
而在谱系的电子一端,则是扭矩矢量分配. 这项技术可以向每根半轴发送可变大小的扭矩,并实时规划弯道中内侧与外侧的扭矩分配. 其结果是更高的稳定性和更好的弯道性能; 你可以把它看作是在差速器的机械基础上叠加的一层软件.
差速器类型比较
| 类型 | 工作原理 | 突出特点 |
|---|---|---|
| 开放式 | 将扭矩平均分配给两个车轮,允许自由的速度差 | 在日常驾驶中足够用; 打滑时会把动力导向空转的车轮 |
| 限滑式 (LSD) | 平时表现得像开放式,当速度差超过限定值时则像锁止式一样工作 | 通过离合器或粘性耦合将扭矩传递给有抓地力的车轮 |
| 锁止式 | 像单根车轴一样让两个车轮一起转动 | 越野条件下最强的牵引力解决方案 |
| 扭矩矢量分配 | 通过电子控制向每根半轴发送可变扭矩 | 提升稳定性和弯道性能 |
历史悠久得出人意料
这个想法的根源比汽车要早得多. 安提基特拉机械(约公元前100年)可能包含差速齿轮,但这点尚未确定. 有明确证据的首次差速器使用,属于Joseph Williamson于1720年制作的时钟. 而它进入汽车舞台则是一项1827年的发明: Onésiphore Pecqueur为一辆蒸汽车辆注册了差速器专利,定义了我们今天车轮上的基本方案. 一些资料还提出,该机构在公元3 世纪也在中国出现; 这个年代尚未得到确切的证实.
了解你车上差速器的实用方法
驾驶者最常问的问题之一,就是如何判断自己的车装的是开放式差速器还是LSD. 有一个实用的判断方法: 在干燥地面上全油门起步时,是只有一个车轮空转,还是两个车轮一起工作? 单轮空转是开放式差速器的经典特征. 而在装有LSD的车辆上,你在出弯时和湿滑地面上会感受到更可预测的抓地力; 在激烈驾驶中,轮胎磨损的分布也更加均衡.
至于日常使用中是否真的需要LSD,这是车迷圈中一个争议两极的话题. 一方认为它能在激烈驾驶中带来抓地力和安全性,另一方则认为在某些情况下,开放式差速器允许打滑的后侧车轮甩尾、失去车尾反而是更可辩护的设计. 从工程角度诚实的总结是: 开放式差速器舒适、高效且便宜; 而LSD则在您无法预知扭矩去向的路面上发挥作用. 路况和您的驾驶风格决定了哪一种适合您.
结论: 平均值:简单而巧妙的智慧
差速器之所以如此精妙,在于它无需复杂的控制单元就能同时解决两个必然要求: 分配扭矩并允许存在速度差. 转速平均法则作为阻力差的自然结果,悄无声息地掌控着过弯. 开放式差速器在牵引力损失上的弱点,正是LSD和锁止式差速器为解决而存在的难题. 弯道中从你身后传来的那平稳牵引力的背后,是大约两百年历史、可以用一行数学来概括的工程智慧.