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拒绝专业术语,汽车差速器结构原理解析

发布时间:2019-12-04 03:03编辑:王中王开奖直播现场浏览(108)

    [汽车 汽车技术] 汽车是我们在日常生活中经常会用到的交通工具,然而一辆车要开动起来其实并不简单,其中凝聚着人类上百年的科技结晶。今天为大家讲解车内一个很不起眼但很关键的设备——差速器。车的动力来自哪里?傻子都知道是发动机!但各位有没有想过,在普通两驱车上,动力是如何从发动机传递到两个轮胎上去的?因为发动机输出的动力经过变速箱再出来只是一根传动轴,而驱动轮是两个,这就需要一个把传动轴的动力分成两部分传到车轮上的装置,这个装置就是差速器!

      发动机动力输出是需经过一系列的传动机构才传递到驱动轮的,其中非常重要的一环就是差速器了。差速器是如何实现差速的?本期文章将对差速器的结构原理进行解析。

    要解释差速器原理,我们首先引用百度百科中的解释:

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    阅读提示:

    “……汽车在拐弯时车轮的轨线是圆弧,如果汽车向左转弯,圆弧的中心点在左侧,在相同的时间里,右侧轮子走的弧线比左侧轮子长,为了平衡这个差异,就要左边轮子慢一点,右边轮子快一点,用不同的转速来弥补距离的差异。”

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    “……普通差速器由行星齿轮、行星轮架、半轴齿轮等零件组成。发动机的动力经传动轴进入差速器,直接驱动行星轮架,再由行星轮带动左、右两条半轴,分别驱动左、右车轮。差速器的设计要求满足:=2。当汽车直行时,左、右车轮与行星轮架三者的转速相等处于平衡状态,而在汽车转弯时三者平衡状态被破坏,导致内侧轮转速减小,外侧轮转速增加。……”

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    “这种调整是自动的,这里涉及到‘最小能耗原理’,也就是地球上所有物体都倾向于耗能最小的状态。例如把一粒豆子放进一个碗内,豆子会自动停留在碗底而绝不会停留在碗壁,因为碗底是能量最低的位置而不会不断运动。同样的道理,车轮在转弯时也会自动趋向能耗最低的状态,自动地按照转弯半径调整左右轮的转速。当转弯时,由于外侧轮有滑拖的现象,内侧轮有滑转的现象,两个驱动轮此时就会产生两个方向相反的附加力,由于‘最小能耗原理’,必然导致两边车轮的转速不同,从而破坏了三者的平衡关系,并通过半轴反映到半轴齿轮上,迫使行星齿轮产生自转,使外侧半轴转速加快,内侧半轴转速减慢,从而实现两边车轮转速的差异。”

    ● 为什么要用差速器?


      汽车在转弯时,车轮做的是圆弧的运动,那么外侧车轮的转速必然要高于内侧车轮的转速,存在一定的速度差,在驱动轮上会造成相互干涉的现象。由于非驱动轮左右两侧的轮子是相互独立的,互不干涉。

    如果对于专业人事来说,这篇文章到此可以结束了,但是作为普通汽车爱好者,我们需要的不是死板的书本知识,因此这里有必要用通俗易懂的语言把差速器是怎样工作的这一问题解释清楚。

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    为什么要装差速器?

      驱动轮如果直接通过一根轴刚性连接的话,两侧轮子的转速必然会相同。那么在过弯时,内外两侧车轮就会发生干涉的现象,会导致汽车转弯困难,所以现在汽车的驱动桥上都会安装差速器。

    首先要说的是差速器这个装置装在哪里,它的位置应该处于传动轴与左右半轴的交汇点,从变速箱输出的动力在这里被分配到左右两个半轴。至于为什么要装差速器这个问题就不需多做解释了,百度百科里写得非常清楚。我们都知道汽车在直线行驶时左右两个驱动轮的转速是相同的,但在转弯过时两边车轮行驶的距离不是等长的,因此车轮的转速肯定也会不同。差速器的作用就在于允许左右两边的驱动轮以不同的转速运行。

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    差速器的构造:

      布置在前驱动桥(前驱汽车)和后驱动桥(后驱汽车)的差速器,可分别称为前差速器和后差速器,如安装在四驱汽车的中间传动轴上,来调节前后轮的转速,则称为中央差速器。

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    ● 差速器是如何工作的

    其实说白了,整个差速器系统的核心是四个齿轮:两个行星齿轮和两个与传动轴相连的半轴齿轮。这四个齿轮都在差速器壳内,这个壳体连接着传动轴,本身也要转动,在行驶时它的转动方向与车轮转动方向相同。

      一般的差速器主要是由两个侧齿轮(通过半轴与车轮相连)、两个行星齿轮(行星架与环形齿轮连接)、一个环形齿轮(动力输入轴相连)。

    我们可以用一个球体来解释差速器问题!我们假设这个球体和地球一样有两个极点,并且以两极的连线为轴进行自传,这个球体可以理解为差速器壳体,这个壳体的两极连接的就是汽车的左右半轴。这里安装着两个半轴齿轮,两齿轮中心的连线就是差速器壳体转动的轴线。

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    除了两个半轴齿轮外还有两个行星齿轮。理解两个行星齿轮的状态是理解差速原理的关键。还拿刚才所说的球体来举例,两个齿轮是对向安装并且与半轴齿轮垂直,相当于6点钟和12点钟位置。这两个齿轮经常要朝相反方向转动,从而实现差速作用。壳体在自传过程中会带着两个齿轮做公转。

      那差速器是怎样工作的呢?传动轴传过来的动力通过主动齿轮传递到环齿轮上,环齿轮带动行星齿轮轴一起旋转,同时带动侧齿轮转动,从而推动驱动轮前进。

    这四个齿轮虽然安装在壳体内部但都是可以独立于差速器壳体转动的,只不过它们相互咬合在一起,每个齿轮的两边都咬合着另外两个齿轮(每个半轴齿轮都咬合着两个行星齿轮,每个行星齿轮都咬合着两个半轴齿轮),只要其中一个齿轮转动都会牵扯到其他三个齿轮一起转动,而且其中一个齿轮朝某个方向转动,与它相对的另一边齿轮必定朝反方向转动!这个现象可以通过实验来证实:如果把一辆车的两个驱动轮都悬空,转动一边的车轮,另一侧车轮会朝相反方向转动。

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    差速器的运作原理:

      当车辆直线行驶时,左右两个轮受到的阻力一样,行星齿轮不自转,把动力传递到两个半轴上,这时左右车轮转速一样(相当于刚性连接)。

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    『车辆直行时差速器状态』

      当车辆转弯时,左右车轮受到的阻力不一样,行星齿轮绕着半轴转动并同时自转,从而吸收阻力差,使车轮能够与不同的速度旋转,保证汽车顺利过弯。

    直线行驶时的特点是左右两边驱动轮的阻力大致相同。从发动机输出的动力首先传递到差速器壳体上使差速器壳体开始转动。接下来要把动力从壳体传递到左右半轴上,我们可以理解为两边的半轴齿轮互相在“较劲”,由于两边车轮阻力相同,因此二者谁也掰不过对方,因此差速器壳体内的行星齿轮跟着壳体公转同时不会产生自转,两个行星齿轮咬合着两个半轴齿轮以相同的速度转动,这样汽车就可以直线行驶了!

      如果对于差速器的工作原理还不够明白,可观看下面这个讲解差速器原理的视频,非常经典有趣。

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    (为了节省你的时间,可从3:30开始观看)

    『一侧车轮遇到阻力』

    ● 为何又要把差速器锁死?

    假设车辆现在向左转,左侧驱动轮行驶的距离短,相对来说会产生更大的阻力。差速器壳体通过齿轮和输出轴相连,在传动轴转速不变情况下差速器壳体的转速也不变,因此左侧半轴齿轮会比差速器壳体转得慢,这就相当于行星齿轮带动左侧半轴会更费力,这时行星齿轮就会产生自传,把更多的扭矩传递到右侧半轴齿轮上,由于行星齿轮的公转外加自身的自传,导致右侧半轴齿轮会在差速器壳体转速的基础上增速,这样以来右车轮就比左车轮转得快,从而使车辆实现顺滑的转弯。

      了解差速器的原理后就不难理解,如果当某一侧车轮的阻力为0(如车轮打滑),那么另一侧车轮的阻力相对于车轮打滑的一侧来说太大了,行星齿轮只能跟着壳体一起绕着半轴齿轮公转,同时自身还会自转。这样的话就会把动力全部传递到打滑的那一侧车轮,车轮就只能原地不动了。

    为了更方便大家理解差速器的原理,我将结合上面这个视频为大家讲解。首先要说明的是视频里这个差速器和之前我们说的差速器有一点儿不同。视频里的差速器有四个行星齿轮,而我们所讲的差速器有两个行星齿轮,其实各位不用在意行星齿轮的多少,实质的原理都是一样的。

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    在这段视频里,从屏幕最左边伸过来的这根轴是传动轴,发动机输出的动力经过传动轴传递到差速器壳体上,视频里那个最大的齿轮就固定在差速器壳体上,这个大齿轮旋转就相当于差速器壳体的旋转。

      所以为了应付差速器这一弱点,就会在差速器采用限滑或锁死的方法,在汽车驱动轮失去附着力时减弱或让差速器失去差速作用,是左右两侧驱动轮都可以得到相同的扭矩。

    在视频的前7秒钟演示的是车辆转弯时的状态,我们可以明显看出靠下的这一侧半轴转速要比另一侧半轴和差速器壳体都慢,这时差速器壳体内的行星齿轮就会旋转,把扭矩传到另一侧半轴上。第7秒之后到第14秒演示的是直线行驶状态,两侧阻力相同,因此壳体内的行星齿轮不会转动,两侧半轴转速相同。第14秒之后演示的是上面那一侧半轴遇到阻力的情况。

    ● 什么是限滑差速器?

    普通差速器的弊端:

      为了防止车轮打滑而无法脱困的弱点,差速器锁应用而生。但是差速器的锁死装置在分离和接合时会影响汽车行驶的稳定性。而限滑差速器(LSD)启动柔和,有较好的驾驶稳定性和舒适性,不少城市SUV和四驱轿车都采用限滑差速器。

    现在有一个问题:如果一侧驱动轮失去抓地力为什么车辆就无法前行?那是因为当一侧车轮失去抓地之后,相当于这一侧车轮的阻力为0,而另一侧车轮的阻力相对于失去抓地的这一侧来说太大了,在跟着壳体做公转的同时,差速器内的行星齿轮自身还会疯狂的自转,把动力源源不断的传递到失去抓地的那一侧车轮,因此车子只会呆在原地不动。

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    因此可以这样说,我们日常生活中接触的两轮驱动家用车其实是很“脆弱”的,只要路面铺装得不好或者带点泥泞的话就很有可能抛锚!这和车子的马力大小是没有关系的。这也是为什么很多高性能车和越野车要装备限滑差速器。

      限滑差速器主要通过摩擦片来实现动力的分配。其壳体内有多片离合器,一旦某组车轮打滑,利用车轮差的作用,会自动把部分动力传递到没有打滑的车轮,从而摆脱困境。不过在长时间重负荷、高强度越野时,会影响它的可靠性。

    限滑差速器的作用是若左右半轴的转速差过大,限滑差速器会锁止普通差速器,让动力能够在左右两侧半轴合理分配。而一些专业的越野车装备四驱装置和差速锁,在抓地力不足的情况下通过手动控制或者电子设备把差速器锁止,此时差速器就不起作用了,动力被平均分配到四个车轮上帮助车辆摆脱困境,关于四驱装置的原理会在之后的文章中做具体讲解。

    ● 托森差速器是如何工作?


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    汽车技术很难懂?汽车设计太遥远?谁说的?这些内容也可以很有趣!

      跟前面说的环形齿轮结构的差速器不同的是,托森差速器内部为蜗轮蜗杆行星齿轮结构。托森差速器一般在四驱汽车上作为中央差速用。

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      它的工作是纯机械的而无需任何电子系统介入,基本原理是利用蜗轮蜗杆的单向传动(运动只能从蜗杆传递到蜗轮,反之发生自锁)特性,因此比电子液压控制的中央差速系统能更及时可靠地调节前后扭矩分配。

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      上图为奥迪A4 Quattro四驱系统中,托森中央差速器(Torsen)在不同路况时对前后轮的动力分配情况。

    ● 四轮驱动汽车有什么特点?

      四轮驱动,顾名思义就是采用四个车轮作为驱动轮,简称四驱。(英文是4 Wheel Drive,简称4WD)。四轮驱动汽车有两大优势,一是提高通过性,二是提高主动安全性。

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      由于四驱汽车,四个轮子都可以驱动汽车,如果在一些复杂路段出现前轮或后轮打滑时,另外两个轮子还可以继续驱动汽车行驶,不至于无法动弹。特别是在冰雪或湿滑路面行驶时,更不容易出现打滑现象,比一般的两驱车更稳定。

    ● 分时四驱是什么?

      分时四驱可以简单理解为根据不同路况驾驶员可以手动切换两驱或四驱模式。如在湿滑草地、泥泞、沙漠等复杂路况行驶时,可切换至四驱模式,提高车辆通过性。如在公路上行驶,可切换至两驱模式,避免转向时车辆转向时发生干涉现象,减低油耗等。

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    ● 适时四驱又是怎样的?

      适时四驱就是根据车辆的行驶路况,系统会自动切换为两驱或四驱模式,是不需要人为控制的。适时驱动汽车其实跟驾驶两驱汽车没太大的区别,操控简便,而且油耗相对较低,广泛应用于一些城市SUV或轿车上。

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      适时四驱车的传动系统中,只需从前驱动桥引一根传动轴,并通过一个多片耦合器连接到后桥。当主驱动轮失去抓地力(打滑)后,另外的驱动轮才会被动介入,所以它的响应速度较慢。相对来说,适时四驱车的主动安全性不如全时驱动车高。

    ● 全时四驱?

      全时四驱就是指汽车的四个车轮时时刻刻都能提供驱动力。因为是时时四驱,没有了两驱和四驱之间切换的响应时间,主动安全性更好,不过相对于适时四驱来说,油耗较高。全时四驱汽车传动系统中,设置了一个中央差速器。发动机动力先传递到中央差速器,将动力分配到前后驱动桥。

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