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汽车转弯:差速器

 wuday8 2015-08-27

你会让汽车转弯么?这看似很简单——只要坐在车里轻轻转动方向盘,车子不就转弯了?其实不然,当你转动方向盘时,内外侧的车轮们正在以不同的速度奔跑……

【为转弯而生的差速器】

让原本平直行驶的车辆转弯,看上去简单,其实是一个很复杂的科学问题:车辆在转弯时行驶轨迹是圆弧形的,因此在相同的时间里,外侧轮子走过的弧线比内侧轮子要长一些,这就像在田径场上赛跑,如果想从外道赶超前面的选手会很困难,因为跑的路径会长一点。

其实,人们刚刚发明汽车的时候,并没有在意 外侧车轮多走的这点“冤枉路”,但后期渐渐发现,汽车每天转弯时所走的“冤枉路”让汽车的“跑鞋”——轮胎磨损严重,更换率居高不下。 以一辆左右轮距1500mm的汽车为例,如果开着它去参加纳斯卡房车大赛,在著名的达灵顿椭圆形赛道上开上200圈,外侧车轮就要比内侧车轮多跑1885米[1]!而汽车一生要行驶十几万甚至几十万公里,两侧的轮子行驶距离不一样,却还要以一样的速度转动,每次转弯的时候,内侧车轮的轮胎都在无端“蹭地”损耗,内侧的“跑鞋”费得太,厂商和车主都受不了。

汽车转弯:差速器

开放式差速器示意图

为了解决这个拐弯的大问题,100多年前,法国雷诺汽车的创始人路易斯·雷诺设计出了开放式差速器[2]。雷诺的差速器是一个很巧妙的装置:车子的内外侧车轮不再固定在一根轴上,而是分别固定在左右两根轴上,中间由一组可以自由转动的齿轮(行星齿轮)咬合连接起来,。当汽车在直线行驶,或者两侧车轴的扭力(可以理解为车轮受到阻力、摩擦力)相同时,中间的行星齿轮不会转动,使两侧轮子的转速保持一致;当汽车转弯行驶,或者两侧车轴的扭力不一样时,中间的行星齿轮就会转动,自动增减两侧转轴的速度,从而实现两侧轮子根据各自的实际需要,调整转速,减少不必要的“蹭地”损耗。

差速器中的行星齿轮,就像一个“调度员” ,在转弯时让内侧车轮少跑点儿路,而让外侧车轮多跑点儿路,顺畅地带动车轮跑过弯道,谁也不会因为无端蹭地而费“鞋”了!

【谁来解决内侧车轮的难言之隐】

有了差速器,两侧车轮因行驶距离不一样造成的“蹭地”损耗问题解决了,但是却出现了新问题:拈轻怕重+出工不出力!差速器解决了车轮在受到不同阻力时,转速的自动调节,避免不必要的车轮损耗,即哪一侧的车轮阻力(摩擦力)大,哪个车轮就转得慢甚至干脆不转,相反,哪一侧的阻力(摩擦力)小,哪个车轮就转得快。

如果你不信,可以做一个试验:把你的汽车(限两轮驱动的)用千斤顶将一侧顶起来,驱动轮离地,给车挂上1档,你会发现只有一个轮子在转,另一侧根本不转,车子也不会跑起来。难道你买的车是“一轮驱动”?这就是开放式差速器中“调度员”行星齿轮搞的鬼,由于一侧车轮悬空完全没有摩擦力,开放的行星齿轮把动力全部输出给了它,另一侧因为有阻力,则纹丝不动。然而,在某些特定情况下,差速器的自动调节反而给驾驶员造成了麻烦。

例如,当汽车的一侧车轮陷在泥潭或坑里,在差速器的作用下,陷在泥里的轮子因为受到的阻力大,从而处于慢转或不转的状态,而在外侧的轮子则因受到阻力小,反而处于高速的空转状态。如果你开车越野时遇到这种场面,那真的是一场噩梦。因此,越野四驱车上一般都使用具有限滑装置的差速器或差速器锁,来限制两侧车轮的自由“差速”。

汽车转弯:差速器

悬空的前轮

其实,除了上面这种极端场面,即使在平坦路面拐弯时,开放式差速器也会让车轮有难言之隐——弯道上高速行驶的汽车由于离心力原因,重心会向外侧倾斜(坐在车里的你也甩到外侧了吧!),使外侧车轮受到巨大压力,摩擦力增大,而内侧车轮压力变小,甚至微微离地,从而造成内侧车轮打滑空转,而外侧车轮因失掉动力“转向不足”,让车子需要更大的半径才能转过弯道,其结果会是汽车被甩出弯道,撞在外侧的护栏上,成为安全行驶的巨大隐患!

对于没有赛车手般驾驶技巧的普通人来说,谁来解救弯道上你那“撒欢”的内侧车轮呢?有没有一种“神器”,能让车子在转弯时,既能降低内侧车轮速度,又能保证外侧车轮具有恒定的动力输出呢?

这种“神器”已经出现了。在电子技术发达的今天,工程师们研发了电子限滑差速系统,其利用刹车的原理来帮助汽车实现扭力分配和限滑差速的目的。比如长安福特新福克斯装备的TVC系统(Torque Vectoring Control System弯道扭力智能分配系统)[3]就是采用这种原理:当车辆进入弯道时,传感器会以每秒100次的频率检测内侧车轮的转速和扭力,准确侦测到内侧前轮开始打滑的时间,并对车轮施加极细微的制动力,通过阻止车轮滚动,把发动机扭力转移到抓地力更强的外侧前轮,来保持整车的牵引力和转向控制。这样一来,内侧的前轮再也不用担心背上“转弯破坏者”的恶名了。TVC系统可以有效降低车辆的转向不足,提高转弯时的安全性,再配合上良好的悬挂系统和底盘调校,给驾驶者带来了更好、更安全的驾驶体验。

TVC这样的电子限滑差速系统,是在汽车电子技术和传感器得到飞速发展的基础上才得以实现的,雷诺老人家肯定想象不到,如今的汽车“大脑”和“感官”如此发达,竟然能够主动控制转向时车轮的扭力和转速,简直是“脑筋“在控制”急转弯“啊!

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