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汽车为什么会拐弯?

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发表于 2019-05-20 10:49

——汽车要会拐弯——

直行的时候,汽车左右两侧的车轮保持转速一致就可以笔直的前行。然而转弯时,就遇上难题了。最早的汽车,左右两侧车轮转速始终保持一致,哪怕通过方向盘来调整行进轨迹,也会因为左右两侧车轮的转弯半径不一样而导致转弯困难。想必大家上学的时候都走过方阵,横向一排的向前行进。当遇到转弯时,靠近弯道内侧的同学一定会放慢脚步,而外侧的同学就需要大步向前。汽车在拐弯时,也是这个道理,所以要想让车辆更顺畅的转弯,就必须解决左右两侧车轮转速一致的问题,必须让它们不一致。

——主动?被动?——

想让左右两侧车轮的转速不一致,对于从动轮来说很简单,因为它们本身就没有动力,然而对于主动轮来说,就有难度了。前驱车的两个前轮,后驱车的两个后轮,都是这种情况。如何让左右两侧的车轮即可以都获得动力,又可以在转弯时获取到不同的动力,并且在直线时左右两侧的车轮还要得到同样的动力呢?差速器的诞生,就解决了这个难题。

——差速器降临人世——

差速器,也就是让左右两侧车轮可以在特定情况下获得一定的转速差,从而解决了上面提到的种种难题。

下面图片中,不同颜色代表着不同的部件。其中,最下方橙色部分为动力传输轴,通过它将发动机的动力传输到驱动轮。体积最大的黄色部分,为差速器主齿轮,负责将从传动轴获取的动力传递至差速器。左右两侧的蓝色和绿色部分,则分别为左右半轴的驱动齿轮,负责将动力分别传输至左右两个车轮。而粉色部分的两个齿轮就是精华所在,一般称为行星齿轮,它们的主要作用就是抵消左右两侧车轮之间的转速差。

下面我们来看一看这个差速器的运行原理。

首先,我们先来看看直线行驶时的情况。

动力从发动机经过变速箱传输到传动轴,也就是上图中橙色部分。而橙色部分的转动,也就带动了黄色部分的转动。然后黄色部分的转动,带动两个粉色齿轮随着黄色齿轮同向转动(此时粉色齿轮不会自转)。由于粉色齿轮随着黄色齿轮的方向旋转,也就带动了左右两侧蓝色和绿色齿轮跟随黄色齿轮同方向旋转。这样,动力就同时且平均分配到了左右两侧车轮,保证车辆直行。

接下来再看看转弯的时候会发生什么?

我们假设车辆左转弯,也就是蓝色齿轮需要慢速旋转,绿色齿轮需要快速旋转的情况。动力同样经由橙色的传动轴传递至黄色齿轮,而黄色齿轮再通过两个粉色齿轮传递给左右两侧的蓝色和绿色齿轮。不过这次情况不太一样,当蓝色齿轮(左侧车轮)受到阻力,转速较慢时,上下两个粉色齿轮就会在随着黄色齿轮的方向旋转的同时发生自转,并且上下两个粉色齿轮的自转方向是相反的。(从图上看,一个向左旋转,另一个向右旋转。)正是由于两个粉色齿轮的自转,消耗了蓝色齿轮不能承受的动力,同时又不会影响右侧绿色齿轮的正常旋转。这样就保证了左右两侧车轮在转弯时可以拥有不同的转速。

这种差速器,也就是当前我们大街上可以看到的绝大部分轿车所使用的差速器原理,你的车为什么会拐弯,现在理解了吧?

——差速器的困惑——

然而事情并没有那么简单。上面这种差速器虽然可以解决绝大部分情况,但在某些极端情况下,它就束手无策了。我们试着把问题极端化,来看看会发生什么?

车辆转弯时,内侧车轮会比外侧车轮转的慢,弯越急,这个转速差也就越大。差速器的原理也就导致转动阻力大的一侧车轮会转的慢,而阻力小的那一侧车轮会转的快,两侧车轮的转速差越大,粉色齿轮的自转也就越快。那么假设两个车轮的转速差达到极限会是什么样子呢?左侧车轮一动不动,而右侧车轮拼命的转,两个粉色车轮也在不停的自转。

当然,现实中不会有这种弯道,左转弯的时候,左轮原地不动,右轮跑慢一个360度,仿佛圆规一般。但一旦我们遇到打滑呢?左侧车轮陷入泥地,而右侧车轮在良好附着力的柏油路面。这时,哪怕是直行,也会因为右侧附着力良好的车轮的滚动阻力比左侧大的多,而左侧车轮因为在泥地中,打滑会使得阻力变得非常的小,所以左侧车轮就会拼命的打滑空转。无论你踩下多深的油门踏板,发动机的动力也只会传递给左侧打滑的车轮,导致它更加严重的打滑。而右侧不打滑的车轮,被差速器认定是转弯内侧车轮,而且是圆规般极限的右转弯,所以不会把动力分配给右侧车轮,从而无法获得脱困的动力,只得纹丝不动,看着左侧车轮拼命的打滑,干瞪眼。

其实不只是单侧车轮脱困的问题。在越野时,一侧车轮离地的情况很常见。然而一旦一侧车轮离地,也就意味着它的阻力无限小,另一侧没有离地的车轮转动阻力无限大。同样的情况又会再次发生:离地车轮拼命旋转,没有离地的车轮纹丝不动,干瞪眼。

——玩儿越野你需要差速锁——

一个锁字,形象的描述了差速锁的作用。将动力传输牢牢的锁住,不允许出现左右两侧的转速差。这样一来,不论是单侧车轮陷入泥潭,还是越野时一个车轮离地,都会因为另一侧有良好附着力的轮胎仍然能够获得动力而不至于干瞪眼不出力,一切困难迎刃而解。

差速锁的好处不仅仅是解决左右两侧车轮的动力被白白浪费掉的问题。当我们把差速器装在车辆中间,作为四驱车的动力中枢时,两个前轮同时被困,或者两个后轮遭遇同时打滑,依然有另外两个车轮提供动力,帮助我们脱困。

前轮差速锁,后轮差速锁,中央差速锁,正是这三把锁,在紧要关头,可以救我们于危难之中,也正因如此,三把锁才会被越野圈奉若神明。

然而差速锁也并非全知全能。限制住了左右两侧车轮的转速差,甚至限制了前轮和后轮的转速差,则意味着车辆难以灵活的转弯,孰重孰轻,还是要看使用环境来决定。

——限滑差速器——

世界上除了黑与白,还有灰。

在开放式差速器和差速锁之间,其实还有一个不太偏科的好学生,限滑差速器(LSD,Limited Slip Diffirential)。限滑差速器的实现原理有很多种,在这里我就不一一展开了。只是来说它的特点。

限滑差速器,其实就是避免左右两侧车轮的转速差过大的情况发生。也就是上文所说的“圆规”的事情不会发生了。在保证左右两侧车轮可以存在一定的转速差,以保证在正常路面上可以灵活转弯的同时,又限制左右两侧车轮的转速差过大,导致单侧车轮丧失全部的动力。这样一来,既不必担心铺装路面的日常驾驶问题,又不必担心过分担心车辆脱困的难题。然而,限滑差速器还有另一个常见的使用场景,就是性能车和赛场上。

在赛场上,高速转弯时,内侧车轮和外侧车轮的转速差如果过大,会导致动力输出的下降(还记得飞速自传的粉色齿轮么),所以要限制动力被白白的浪费掉,因此,就需要限制左右两侧的转速差,减少动力损失,使用限滑差速器就是一个好办法。甚至在漂移赛场,为了不中断动力输出,保证左右两侧车轮的转速差不要过大,会使用2Way的限滑差速器,这意味着在松开油门甚至刹车的时候,都可以保证两侧的转速差不要过大,避免损失动力,影响行车(漂移)路线。

对于性能车和跑车来说,为了追求极致的驾驶体验,也会有不少车型在出厂时就配备了限滑差速器,你知道都有哪些车型么?

[本帖最后由 TYUP223 于 2021-01-08 17:18 编辑]