四轮驱动工作原理

四轮驱动工作原理 四轮驱动工作原理 作者 Karim Nice 本文包括： 1.  引言 2.  分时四轮驱动系统 3.  了解更多信息 4.  阅读所有引擎盖下类文章 引言 有多少种四轮驱动车辆就几乎有多少种四轮驱动系统。 似乎每一家制造商都有几种为车轮提供动力的。 不同制造商所用的语言有时可能会有点令人迷惑，因此在开始解释车轮驱动的工作原理之前，首先让我们来澄清一些术语： ​ 四轮驱动：通常，当汽车制造商说一辆车具有“四轮驱动”时，他们指的是“分时”系统。 就本文而言，这些系统只是针对低牵引力条件，例如越野或在雪地或冰面上行驶。 ​ 全轮驱动：这些系统有时被称作“全时四轮驱动”。 全轮驱动系统是为适合在各种类型的路面上（包括公路和越野）行驶而设计的，而且这些系统大多数都不能关闭。 分时和全时四轮驱动系统可以采用相同的来评估。 最佳的系统会在每个车轮上施加最恰当的扭矩，也就是说，保持轮胎不会出现打滑时的最大扭矩。 悍马的四轮驱动系统 本文将说明四轮驱动的原理，首先介绍一些有关牵引力的背景知识，然后了解组成一个四轮驱动系统的各个组件。 接着，我们将介绍几个不同的系统，包括由AM General为通用汽车公司制造的悍马系统。 在了解汽车的不同四轮驱动系统之前，我们需要知道一点有关扭矩、牵引力和车轮滑移的知识。 扭矩是发动机产生的扭力。 发动机的扭矩是汽车行驶的动力。变速器和差速器中的各个挡位可以使扭矩成倍地增加，再分解到各个车轮。一挡传送到车轮的扭矩比五挡大，因为一挡的传动比大，所以该传动比与扭矩的乘积也大。 Your browser does not support JavaScript or it is disabled. ​ 这张条形图显示了发动机所产生的扭矩的大小。 图中的标记显示可引起车轮滑移的扭矩。 启动条件良好的汽车的扭矩从不会超过这个值，因此车轮不会打滑；但启动条件差的汽车会超过这一扭矩，因此轮胎会出现打滑。 只要一开始打滑，扭矩就会降到几乎为零。 有趣的是在低牵引力条件下可以产生的最大扭矩量由牵引力的大小而不是发动机决定。 即使您在车上安装了NASCAR发动机，如果轮胎不着地，再强的动力也无法利用。 在本文中，我们将牵引力定义为轮胎所能作用于地面的最大力（或者说，地面能够施加给轮胎的最大力，这两种说法都一样）。以下是影响牵引力的因素： ​ 轮胎承重量：轮胎承重量越大，牵引力越大。 在汽车的行驶过程中，重量会发生转移。 例如，当汽车转弯时，重量就会转移到外侧车轮。 当汽车加速时，重量就会转移到后轮。 （有关详细信息，请参见制动系统工作原理。） ​ 摩擦系数：这一因素将两个面之间摩擦力的大小与保持这两个表面接触的力联系起来。 在本文中，摩擦系数将轮胎与路面之间的牵引力的大小与每个轮胎上承载的重量联系起来。 摩擦系数通常是车辆上轮胎的类型与车辆所行驶的表面类型的函数。 例如，NASCAR轮胎在干燥的水泥车道上行驶时的摩擦系数很高。 这也是NASCAR赛车之所以能够高速转弯的原因。 而相同的轮胎在泥地上的摩擦系数却几乎为零。 相比之下，巨大的粗纹越野轮胎在干燥的车道上的摩擦系数没有这么大，但它们在泥地上的摩擦系数却非常高。 ​ 车轮滑移：轮胎与路面的接触可分为两种类型： 静态的和动态的。 ​ 静态接触：轮胎与路面（或地面）无相对滑动。 静态接触的摩擦系数比动态接触的高，因此静态接触能够提供更大的牵引力。 ​ 动态接触：轮胎相对路面打滑。 动态接触的摩擦系数较低，因此得到的牵引力较小。 很简单，当施加到轮胎上的力超出轮胎所能提供的牵引力时，车轮就会打滑。 力通过两种方式作用于轮胎： ​ 纵向：纵向力来自于发动机或制动器施加给轮胎的扭矩。 纵向力往往用来使汽车加速或减速。 ​ 横向：横向力是在汽车沿曲线行驶时产生的。 使汽车改变方向需要作用力，最终由轮胎和地面提供了横向力。 假设，您有一辆动力强劲的后轮驱动车，并且正在潮湿的弯道上行驶。 轮胎有充足的牵引力以施加所需的横向力，保持汽车在转弯时不会脱离路面。 又假设，您在转弯的过程中将油门踩到底（切勿如此操作），结果，发动机传送了很大的扭矩到车轮，产生了巨大的纵向力。 如果将纵向力（由发动机产生）和转弯中所产生的横向力叠加，合力将超过可用的牵引力，就会使车轮滑移。 大多数人在干燥的道路上，甚至在平整的潮湿道路上也远远不会超过可用牵引力。 四轮和全轮驱动系统最适合用于低牵引力条件下，例如雪地和较滑的山地。 在下一节中，我们将了解四轮驱动系统如何在这些情况下一显身手。 四轮驱动和低牵引力 四轮驱动的优点很容易理解： 如果您驱动四个轮子而不是两个轮子，就可以获得双倍的纵向力（由轮胎作用于地面而使车辆前行的力）。 这个优点可以帮助应对各种环境。 例如： ​ 雪地：汽车通过雪地时需要很大的力。 可用的力的大小受可用牵引力的限制。 如果路面上的积雪超过几厘米，大多数双轮驱动汽车都将无法移动，因为在雪地上每个轮胎只有很小的牵引力。 而四轮驱动汽车可以利用四个轮胎的牵引力。 ​ 越野：在越野条件下，至少有一组轮胎处于低牵引力状态的情况很常见，例如穿越溪流或泥潭时。 有了四轮驱动，则另一组轮胎仍然保持了牵引力，可以使汽车脱离困境。 ​ 爬越较滑的山地：执行这一任务需要很大的牵引力。 四轮驱动的汽车可以利用所有四个轮胎的牵引力将汽车拉上山坡。 也有一些场合，四轮驱动与两轮驱动相比没有什么优势。 最明显地是，四轮驱动系统无助于您在打滑的路面上停车。 这时，全要仰仗制动器和防抱死制动系统(ABS)。 在下一节中，我们将看一看组成四轮驱动系统的部件。 差速器 任何四轮驱动系统的主要部件都是两个差速器（一前一后）和分动箱。 此外，分时系统还具有锁止式轮毂，这两种类型的系统都可能具有高级电子装置，以便更好地利用可用牵引力。 汽车有两个差速器，一个位于两前轮之间，一个位于两后轮之间。 差速器将扭矩从驱动轴或变速器传递到驱动轮。 差速器还允许左右车轮在车辆转弯时以不同速度旋转。 车辆转弯时，内侧车轮与外侧车轮遵循不同的路径，前轮的路径也与后轮的不一样，因此每个轮子都在以不同的速度旋转。 差速器使内外车轮之间可以存在速度差。 （在全轮驱动中，前后轮之间的速度差由分动箱处理，我们后面再讨论。） 最常见的差速器：开放式差速器 在小汽车和卡车中使用了几种不同类型的差速器。 所用差速器的类型对于车辆能否充分利用可用牵引力有着显著影响。 有关更多详细信息，请参见差速器工作原理。 分动箱 这是四轮驱动汽车上将动力分配到前后轴的装置。 典型的分时四轮驱动分动箱。可以结合行星齿轮减速器提供低范围传动比。 回到刚才那个转弯的例子： 当差速器处理内外车轮间的速度差时，全轮驱动系统中的分动箱包含一种允许前后车轮之间存在速度差的装置。 这种装置可以是粘性耦合器、中央差速器或其他类型的齿轮组。 这些装置使全轮驱动系统在任何路面上均可正常工作。 分时四轮驱动系统上的分动箱将前轴驱动轴锁定到后轴驱动轴，因此可以强制车轮以相同的速度旋转。 这要求轮胎在汽车转弯时必须打滑。 这种分时系统只能用于轮胎相对容易打滑的低牵引力条件下。 在干燥的水泥路面上，轮胎不易打滑，因此应停止使用四轮驱动，以避免急转弯以及轮胎和动力传动系统的过度磨损。 有些分动箱（更常见于分时系统中）还包含一组附加齿轮，可以为车辆提供低挡区。 这一附加的传动比为车辆提供了额外的扭矩和超慢速的输出速度。 汽车挂低挡区的一挡时，最高速度大约是8公里/小时，但车轮产生的扭矩极高。 这使得驾驶员能够缓慢平稳地爬上很陡的山坡。 锁止式轮毂 汽车中的每个车轮都被固定到轮毂上。 分时四轮驱动卡车通常在前轮上装有锁止式轮毂。 不使用四轮驱动时，可使用锁止式轮毂来断开前轮与前差速器、半轴（连接差速器与轮毂的轴）和驱动轴。 这允许差速器、半轴和驱动轴在汽车处于两轮驱动状态时停止旋转，从而减少了这些部件的磨损并可节省燃油。 手动锁止式轮毂以前很常见。 要使用四轮驱动，驾驶员实际上必须走出卡车，转动前轮上的一个旋钮，直到轮毂解锁。 更新的系统具有自动锁止式轮毂，当驾驶员切换到四轮驱动时，这些轮毂会自动结合。 这种类型的系统通常可在车辆移动时结合。 无论是手动还是自动方式，这些系统一般都使用一个滑动轴环来将前半轴锁定到轮毂上。 高级电子装置 在许多现代四轮和全轮驱动车辆上，高级电子装置都起着重要的作用。 有些汽车使用ABS系统选择性地将制动力作用于开始打滑的车轮，这称为“制动牵引力控制”。 另外一些则具有高级的电子控制离合器，能够更好的控制车轮间的扭矩传递。 在本文的稍后部分，我们将介绍一种这样的高级系统。 首先，让我们来看看大多数基本分时四轮驱动系统的工作原理。 分时四轮驱动系统 分时系统类型常见于四轮驱动的皮卡和旧式的SUV，其工作原理如下： 车辆通常为后轮驱动。 变速器直接连接到分动箱。 从分动箱引出两根驱动轴，分别旋转前轴和后轴。 四轮驱动基本系统图 使用四轮驱动时，分动箱将前驱动轴锁定到后驱动轴，因此每个轴都从发动机获得一半的扭矩。 同时，前轮毂锁止​。 前后轴都有一个开放式差速器。 虽然此系统能够提供远比两轮驱动车辆更好的牵引力，但它有两个主要的缺点。 我们已经讨论了其中的一个： 因为分动箱被锁止，它无法用于越野。 另一个问题来自于所用的差速器类型： 开放式差速器将扭矩均匀地分配到它所连接的两个车轮（有关更多详细信息，请参见本页差速器工作原理）。 如果这两个车轮中的一个脱离了地面，或者位于非常滑的路面上，作用到该车轮上的扭矩就会降为零。 因为扭矩是平均分配的，这意味着另一车轮所接收的扭矩也为零。 因此，即使另一车轮有充足的牵引力，也不会向该车轮传递任何扭矩。 下面的动画展示了这种系统在各种条件下的反应。 Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 基本系统遭遇各种组合路况的动画。 当两个车轮在冰面上时，车辆会被困住。 我们在前面提到过，最好的四轮驱动系统能够精确地将适当大小的扭矩传送到每个车轮，所谓适当的大小就是不会导致轮胎打滑的最大扭矩。 按照这一标准，这一系统的评分相当低。 它向两个车轮传送的扭矩不会造成具有最小牵引力的轮胎打滑。 有几种方式可以改进这类系统。 最常见的方式之一是使用限滑后轮差速器替代开放式差速器，这样可确保两个后轮能够在任何条件下施加某些扭矩。 另一个选择是采用锁止式差速器，这种差速器将后轮锁定在一起，以确保即使是在一个车轮脱离路面的情况下，每个后轮都能获得传到车轴的全部扭矩。这可以改善系统在越野条件下的性能。 下面我们将见识一下终极四轮驱动系统： 悍马的四轮驱动系统。 终极四轮驱动系统：悍马 AM General公司的悍马军用车结合了一些先进的机械技术和高级电子设备，创造了号称最完美的四轮驱动系统。 悍马具有全时系统，并附加了一些增强越野性能的功能。 与前面介绍的基本系统一样，在这一系统中，变速器连接到分动箱。 从分动箱引出两根驱动轴，分别连接到前轴和后轴。 但是，悍马上的分动箱并不自动将前后轴锁定在一起。 相反，它包括一组可以由驾驶员锁定的开放式差速器齿轮。 在开放模式下（未锁定），前后轴能够以不同速度移动，因此车辆可以毫无问题地行驶在干燥公路上。 当差速器锁定时，前后轴都可以获取发动机的扭矩。 如果前轮陷于流沙，后轮将获得应对这一问题的全部扭矩。 悍马系统示意图，悍马的一个很酷的特征就是每个车轮上采用了齿轮传动轮毂。 这些轮毂提升了整个驱动线，给悍马留下了约40.6厘米的地面净空，这是大多数四轮驱动车的两倍多。 前后差速器都采用了Torsen差速器。 这些差速器有一个独特的齿轮组： 只要它感知到某一个车轮的扭矩下降（轮胎打滑时就会出现这种情况），齿轮组就会将扭矩传递到其他车轮。Torsen差速器可将两到四倍的扭矩从一个车轮传递到另一个车轮。 这是对开放式差速器的一个重大改进。 但如果一个车轮离地，另一个车轮仍然会得不到扭矩。 为解决这一问题，悍马配备了制动牵引力控制系统。 当一个轮胎开始打滑时，制动牵引力控制装置将制动该车轮。 这真是一举两得： ​ 避免轮胎打滑，从而允许最大限度地利用可用牵引力。 ​ 允许另一车轮施加更大的扭矩。 制动牵引力控制系统对将要打滑的车轮施加显著的扭矩，从而允许Torsen差速器对另一车轮增加两到四倍的扭矩。 下面以悍马为例。 Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 悍马系统遇到各种地形组合： 要想困住悍马，必须使四个车轮都失去牵引力。 悍马系统能够向具有牵引力的任何轮胎传送大量扭矩，即使这意味着将所有扭矩传送到一个轮胎。 这使得悍马非常接近于理想的四轮驱动系统的定义： 为每个轮胎提供其能够承受的最大扭矩。