最近很多人问我“虽然明白了差速器的基本工作原理,但是汽车为什么需要这个东西呢?”,今天小编就力图用最直白、形象的描述让文科生也能明白这一有趣的汽车原理。

一般的车有几个差速器(一篇让文科生也能看明白的汽车科普贴)(1)

在步入本文正题前,我们先植入一个概念:“差速器”是个什么鬼。。。

汽车差速器能够使左、右(或前、后)驱动轮实现以不同转速转动的机构。主要由左右半轴齿轮、两个行星齿轮及齿轮架组成。功用是当汽车转弯行驶或在不平路面上行驶时,使左右车轮以不同转速滚动,即保证两侧驱动车轮作纯滚动运动。差速器是为了调整左右轮的转速差而装置的。在四轮驱动时,为了驱动四个车轮,必须将所有的车轮连接起来,如果将四个车轮机械连接在一起,汽车在曲线行驶的时候就不能以相同的速度旋转,为了能让汽车曲线行驶旋转速度基本一致性,这时需要加入中间差速器用以调整前后轮的转速差。

小伙伴们有没有想过,田径赛跑时,选手们的出发位置为什么不一样?为什么越靠近内圈,选手位置越靠后?这个问题我想只要稍具几何知识就能回答:越靠近圆心,赛道半径越小,与外圈选手相比,同样跑一圈其赛道周长即奔跑距离越短,所以需要在出发时拖后一些。

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我们先来了解下汽车是怎么跑起来的,用最简单直白的话来说,就是两个后轮装在后轴上,两个前轮装在前轴上另加一套转向机构,再想办法把发动机传出的动力(旋转运动)经过变速(换挡)后通过传动轴分别传递到前后车轴上,由此带动车轮旋转(分别与四个车轮相连的那一半前/后轴,形象的称之为半轴)。

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这下问题就来了:

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汽车的内外侧轮胎位置相对固定,直行时没有任何问题,因为四个轮子运行轨迹一致,但在转弯时,内外侧轮子存在转弯半径差异,如果这时四个轮子还和直行时一样均保持相同的速度,恐怕内外轮因为实际“场上位置”的变化就要“闹分家”了。而车轮也不能像赛跑运动员那样提前偏移一定的距离,怎么办?

有聪明的小伙伴说了,让内外轮转速不一致呗,就是外圈的跑快一点,内圈的跑慢一点,总之内外轮保持“队形”整齐!

——思路正确,如何实现?

小伙伴又说了:分别控制呗,就是一个电机(或发动机)带动内轮,另一个电机(或发动机)带动外轮,然后通过某种方法分别控制内外轮的转速,使其配合完成转弯。

——嗯,想法不错,可惜直到现在,这种方法仍然停留在实验或概念阶段,纯电动车特斯拉也没有做到(其D系列确实有两套电机,不过它们分别控制前后轮),因为安全性是个很大的问题,试想一下左右车轮转速一旦不匹配,就好像你正在百米赛跑冲刺时把你其中一只跑鞋瞬间换成高跷,让你一脚深一脚浅,这时车辆很可能立即失控,后果不堪设想。

那么,汽车到底是如何实现用一个发动机同时控制内外侧车轮,让它们直行时转速相同,转弯时自动调节拥有不同转速从而保持“队形”一致呢?

早在一百多年前,法国人雷诺(就是现在雷诺汽车公司的创始人之一)就通过一套非常精巧的机械结构——差速器,解决了这一难题。

下面,我们通过一部上世纪三十年代的科教片进行讲解:

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片名:《Around The Corner》

雪佛兰出品、在好莱坞进行拍摄

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我们可以把最后剩下的两辆摩托车看作是一辆汽车(都是四个轮子),可以明显看出内外轮的运行轨迹和转速差异。

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当同一根轴的左右两端轮子都可以自由旋转时,不存在转速差问题,内轮转的慢一点,外轮转的快一点,就像古时候的马车,现在超市的手推车都可以自由转向。

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但是汽车不行,因为左右两边的轮子要从同一根轴上获取动力,实际上已经连为一体,您手边要是有类似形状的物品(比如哑铃)的话,可以把它放在地上滚动一下,它是无法转弯的。从这张图上可以看到(注意轮胎上的白色标记,表明内外侧轮胎转速相同),没有差速器时,若要让这样的轮子强行转弯,内侧的轮子在打滑(这就好比内外圈跑道选手明明速度一样,却要求两人肩并肩,那内圈选手就只能原地踏步了),这样的车开出去,一转弯就容易翻车。

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为了解决这个问题,汽车发明初期都是只有一个驱动轮的,另一边的轮子空转,但问题又来了:这个驱动轮一旦陷到路上,另一边轮子只能干着急,同时汽车的抓地力、发动机的动力也会损失不少(这就好像人在跑步时只有一条腿使劲)。

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现在的人力三轮车、部分机动、电动三轮车还在沿用这一结构,大家在街上可以留意一下,其实它们只有一个轮子有动力,另一个就是跟着转。

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直到差速器横空出世,让汽车由单轮进入两轮驱动以及后来的四轮驱动时代,它是怎么做到的?

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为解释其工作原理,工程师们制造了这样一个模型:左右两侧轮胎安装在支架上,且分别与两根半轴相连,半轴末端分别连接一根竖起的小杆,两侧轮胎可分别以任意速度自由旋转。

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现在用一根横杆拨动竖杆,当两侧轮胎转速一致时,没有任何问题(类似于汽车直行),再对这个横杆稍作改进,用一个支架把它连在一侧半轴上,同样可以自由旋转。

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当两侧轮胎速度一致时(即汽车直行时),没有任何阻碍,但是当实验人员试图让一侧车轮的速度慢一点时(即模拟转弯时,内轮的转速要慢于外轮),两侧车轮依然保持同样的速度,这样的轮子是无法转弯的。并且如果这个阻力够大,整个传动系统都会卡住。

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为了让两侧车轮在转弯时能够具有不同速度,我们对这个横杆稍作改动,让它可以自由旋转。接下来,就是见证奇迹的时刻:

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当两侧车轮速度一致时(即汽车直行时),横杆正常旋转,但当两侧车轮速度不一致时(即车辆转弯时),横杆通过自身的旋转“化解”了这一速度差异,差速器诞生了!

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问题是,一旦这根横杆旋转一定角度,就和竖杆接触不上了,所以仅有一根横杆是不够的,我们再加一根,两根横杆互成90度,同时增加竖杆的数量,也成90度,现在这个旋转动作可以连续进行了。甚至,当一侧车轮“卡死”时(类似于车辆原地打转),另一侧还可以自由旋转。

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现在问题又来了:仅有两根横杆/竖杆的话,各零件间的间隙过大,一些位置根本接触不到,传动过程就不连续,于是我们继续增加横杆/竖杆的数量,直到变成齿轮。

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继续优化和改进,把原来的横杆对称布置以增加稳定性并改善受力情况,但工作原理还是一样的(大家可以注意下,原来的横杆在自转的同时又围绕竖杆公转,现在变成齿轮后,在机械上我们形象的称之为行星齿轮)。

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这样差速器大致结构已经出来了,手摇的动作代表由发动机输出的旋转动力,由那根长长的杆子(我们叫它传动轴)传递到差速器上。

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然后让模型结构更紧凑一些以投入实际使用

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然后把它装在车上

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这时人们却发现装了这玩意后,汽车底盘为了避开传动轴不得不升高,这样的话车内乘员空间就很小了。

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当然也可以不用管它,让传动轴位于底盘上面,从后排座位中间穿过去,不过这样一来就很尴尬了:中间没法坐人、行李放不下、不好看还很危险。

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这可难不倒汽车工程师,改变齿轮的啮合位置(即主减速器齿轮偏置),就能使汽车底盘随着传动轴的位置下移而下降,Perfect!

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不过直到现在,一些后驱或四驱车甚至前驱车因为各种各样的原因(比如专门提高底盘离地间隙以提升越野通过性能或者出于成本考虑)还存在后排中间座位地板凸出的问题,但都是遮住的。

有小伙伴又问了,我在车上咋没见过这套玩意?

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因为早期的汽车都是发动机带动后轮转动(即后轮驱动),需要那根长长的传动轴,前轮空转只负责转向。但是现在大部分家用车由于成本等原因都是前轮驱动的,后轮空转只负责承载重量,那一根长轴连同后差速器就都去掉了。然而即使是前轮驱动,也要有前差速器,四轮驱动的话那就前后差速器都要有,其实,不止左右两侧,汽车的前后车轮运行轨迹也是不一样的,有的更先进的车为了让前后轮转速匹配还在中间装有中央差速器。

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当然,上面介绍的只是最原始的差速器,现在的结构要复杂的多,但基本原理没有变。

延伸阅读:差速锁是个什么鬼?

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凡事有利就有弊,上述普通差速器的缺点呢,就像上面演示实验中那样,正常路面上转弯时,内侧车轮受阻转的慢一些,外侧车轮转的快一些,于是车辆顺利转弯,没有任何问题,但当一侧车轮真的被卡住(即使此时车辆没有转弯),另一侧悬空或与地面的摩擦力很小时(即两侧车轮受力不一致),差速器会“误以为”车辆正在转弯,通过差速齿轮把动力全都分配到了空转的那个轮子上,没用的轮子转的很嗨,需要脱困的轮子却浑身软绵无力,只能干瞪眼(途中这辆车的左后轮是几乎不转的),我们形象的称之为欺软怕硬。

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这时候更先进的限滑差速器就要闪亮登场了,它能限制差速器两端的滑动,避免此类情况的发生,提高车辆的越野性能,不过其种类众多,原理各不相同,这就不是一篇文章能说清楚的事了。(图为托森差速器)

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在更为极端的情况下,需要让差速器彻底失效,即用差速锁把车轮全部锁死连为一体,这样只要有一个轮子还能抓地,车辆就能脱困。如路虎卫士、牧马人、丰田普拉多等一干硬派SUV或纯越野车大多有此配置。但其中最富盛名的当属奔驰G级的“三把锁”。

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限于篇幅有限,这里只能顺便提两句,感兴趣的童鞋可以自行研究一下,但前提是搞懂前面所讲的差速器工作原理。下次若有人用专业术语和你谈汽车,你可以从这方面入手。

(汽车人频道)

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