详解SUV四驱系统

详解SUV四驱系统标签：作者:最恨愤青说到全轮驱动，总能使人们想起那些身材魁梧、威猛超群的越野车。的确，全轮驱动的出现就是为了针对恶劣路况，征服那些两只车轮无法通过的险峻地形。最初，全轮驱动是纯种越野车的专门配备。但随着汽车工业的发展，以及人们对于汽车文化更加深入的认识，越来越多的车辆采用了全轮驱动系统。对于本篇文章中的主角“SUV”来说，全轮驱动在通常意义上可以理解为四轮驱动（因为绝大部分SUV在正常行驶中，都是四只车轮与地面保持接触）。在一般人看来，所谓的“四轮驱动”无非就是让四只车轮同时旋转，驱动车辆。在汽车工业十分发达的今天，想做到这一步并不困难，当今世界上绝大多数汽车生产厂商都制造出了四轮驱动的车辆。虽然有如此之多的车辆能够实现四轮驱动，虽然都被称为“四轮驱动”，但实际上，不同车型之间由于驱动系统的结构差异，最终导致其实际行驶特性大相径庭。也许有人会问，不都是“四轮驱动”吗？为什么会有如此巨大的差别？针对这些问题，本篇文章将会对此进行详细的分析与解答。下图：给差速器加上锁真的就这么神奇吗？为什么很多车辆需要四轮驱动呢？根本原因就在于，通常情况下，四轮驱动比起两轮驱动，具有更高的通过性能（所谓通过性能就是指车辆通过复杂地形的能力）。但是，无论车辆采用何种驱动方式，都无法避免一种情况的发生，这就是：驱动轮失去行驶附着力。当车辆行驶于复杂路况时，这种现象时常发生。对于一辆普通的两驱车来说，一旦两个驱动轮中的任何一个车轮无论何种原因而失去行驶附着力的话，理论上讲，在不借助任何外力的情况下，车辆将无法继续前进。也许此时您会问道“不是两轮驱动么？此时的另一个驱动轮为什么不能驱动车辆继续前进呢？”如果要解答这个问题，必须从车轮之间的连接方式说起。车辆进行直线行驶时，两侧车轮的行驶距离是完全相同的，并无转速差异。但在转弯时，如果继续保持这种行驶状态，将会对车辆造成严重的损伤，并且无法顺利通过弯道。原因是，车辆在弯道行驶时，外侧车轮行驶的距离要大于内侧车轮，由于通过的时间相等，所以两侧车轮之间存在转速差，所以不能采用刚性连接。差速器的出现巧妙地解决了这一问题，它安装于两侧驱动轮之间，并与传动轴相连接，发动机输出的动力通过它传递给两侧驱动轮。当车辆转弯时，差速器可以自动调节两侧车轮转速，从而使车辆平稳前进。差速器的差速原理是：弯道行驶时，车辆两侧驱动轮所受到的转动阻力是不同的，差速器的实际功能就在于消除两侧车轮的阻力差，也就是说，只有两侧驱动轮出现阻力差，差速器才会工作，并且差速器的“差速程度”与“阻力差”是成正比的。回到刚才的例子：如果一辆普通的两驱车在越野时，一个驱动轮紧贴地面，而另一侧的驱动轮悬空，此时由于两侧驱动轮的理论阻力差达到极限（一边是100%，一边是0），所以差速器就会将发动机传送的几乎全部动力都传递给失去路面附着力的驱动轮，以消除阻力差，而另一侧路面附着良好的驱动轮几乎不会被传递任何动力。在这种情况下，由于车辆的驱动力都会从失去附着力的驱动轮流失，所以造成车辆无法前进。虽然差速器的发明对于提高车辆的公路行驶性能做出了巨大的贡献，但无可否认的一点是，对于越野行驶，差速器的“差速”只会影响车辆的通过性能。为了解决这一问题，工程师们发明了很多种能够限制差速器差速功能，从而防止驱动轮打滑的装置（以下简称“限滑装置”）。最根本的解决方案就是：差速锁。由于车辆在复杂路况行驶时，驱动轮所受到的阻力差是很大的，所以才造成了车轮的打滑。差速锁的作用就是将差速器实现差速功能的组件完全锁住，从而彻底消除了差速器的差速功能，换句话说，就是将差速器与两侧的半轴通过牙嵌式离合器（或其他能够阻止差速器当中部件转动的装置）刚性连接起来，使之成为一个整体。这样就保证了车辆无论遇到何种行驶状态，两侧驱动轮的转速都是相同的，此时的动力传递并不针对于两侧驱动轮，而是针对于整个驱动轴。这样的优点在于，两侧车轮的实际输出扭矩比与其所受阻力比是完全相同的（例如两侧驱动轮受到的阻力比是3：7，那么理论上讲，受到阻力小的一侧驱动轮只需30%的扭矩，而其余的70%则分配给阻力较大的一侧车轮）。当出现前文举例的那种一侧驱动轮失去附着力的极端情况时，另一侧路面附着力良好的车轮能够获得相当于正常行驶200%的扭矩输出，因为此时差速锁将正常情况下平均分配于两侧驱动轮的动力都作用于这个拥有强大附着力的驱动轮，从而大大增强了车辆的通过能力。机械式差速锁的接通方式也分为手动控制和自动控制两种。自动控制的机械式差速锁由于技术原因导致在一些特殊路况，例如紧急转向时会对车辆的行驶造成一定干扰，所以现在很少有车辆使用这种技术。而手动差速锁由于其强大的可靠性使之成为纯种越野车的必备装置，这虽然不是什么先进技术，但却仍然是迄今为止最为可靠、最有效的提高车辆越野性能的驱动系统辅助装置。虽然机械式差速锁特点鲜明，但其弱点同样限制了它的普及。手动机械式差速锁只能实现0或100%的锁止系数，缺乏在其间的连续变化。接通差速锁后，由于消除了差速器的差速功能，车辆必须保持直线行驶，所以只能在驱动轮附着力状况差异较大的情况下使用，并且在驶回附着力良好的路况时必须解除锁定，否则将会使车辆失去转弯行驶的能力，加速车辆磨损，并发生危险。另外一点就是，使用手动控制差速锁对于驾驶者的驾驶技术要求较高。对于一辆并不十分追求越野性能的SUV来说，机械式差速锁显然并不适合它们。下图：颇受越野迷追捧的ARB系列差速锁，就是采用的牙嵌式锁死装置。前面已经提到，当两侧驱动轮之间存在很大的阻力差时，就会造成车轮打滑。对此，工程师们想到：如果给受到阻力较小的车轮也施加阻力的话，是不是同样可以达到“限滑”目的呢？答案是肯定的。针对这一思路，牵引力控制系统随之应运而生。它的工作原理就是：这套系统能够时刻监测各个驱动轮的转速，当系统监测到驱动轮之间出现较大转速差时，会自动对超过安全转速（也就是打滑）的车轮施加制动力（制动系统就是阻力的来源），从而减小了阻力差，给予了附着力较强车轮更大的动力，驱动车辆前进。其实这一过程可以形象地理解为：牵引力控制系统自动对打滑车轮实施制动，从而把牵引力通过差速器自动传送至附着力良好的车轮上，驱动车辆前进。这套系统的优点在于自动化程度高，驾驶员无需进行任何操纵，这一过程完全由电脑控制。比较于机械式差速锁，牵引力控制系统的灵活性更强，它能够针对各种路况进行自动控制，适应面要比机械式差速锁更宽泛，而且对于公路行驶的安全性也能提供一定帮助。其实有很多先进的技术都是从牵引力控制系统发展而来，例如ESP电子稳定程序，以及路虎的HDC陡坡缓降控制系统等等，基本思路都是类似的。牵引力控制系统的另一个优点是：制造成本相对低廉。这些优点使得牵引力控制系统迅速普及。这套系统通常被简称为“TCS”，当然不同的汽车制造商也给其起了不同的名字，例如奥迪和大众称其为“EDS/EDL”，丰田称其为“A-TRC”，路虎称其为“ETC”，梅塞德斯奔驰则把它命名成“4-ETS”等等……虽然名称不同，但实质却是完全相同的。使用了ETC的路虎揽胜牵引力控制系统的优点固然明显，但从实际角度来看，这套系统并不十分适合越野行驶。原因是，这套系统虽然理论上讲可以把动力从附着力较差的驱动轮传递至附着力较高的驱动轮，但这毕竟是理论，实际情况并非如此。当出现极限情况时，在制动瞬间附着力较差的一侧车轮停止转动，而另一侧附着力较高的车轮会以相当于常规驱动速度的两倍旋转（这是由于差速器的工作原理决定的），虽然此时此驱动轮的输出功率为常规驱动功率的两倍，但由于转速也增加为常规转速的两倍，根据“功率=力*速度（P=F.v）”，所以此时的输出扭矩与原先保持常规转速时的输出扭矩是相同的（并不像机械式差速锁那样可以达到常规的200%）。同时由于对打滑车轮实施制动会将很大一部分发动机输出的动能转化为制动系统的热能。当出现前文所叙述的极限情况时，牵引力控制系统工作的瞬间会消耗大约75%的动能。也就意味着实际上附着力良好的车轮最多只能获得25%的扭矩输出。很显然，这样的输出扭矩并不足以从根本上提高车辆的通过性能，最多只能用于在打滑的一瞬间“脱困”。而且由于牵引力控制系统只能在驱动轮出现较大转速差的一瞬间工作，而且会在较大程度上消耗输出动能，另外就是此系统的反应速度较慢，并且存在滞后，等等原因所以导致车辆的行驶连贯性较差，当遇到长距离恶劣路况行驶时（例如攀登一个很长的泥泞陡坡），牵引力控制系统会持续不断地工作，除了造成车辆持续行驶动力不足以外，严重的情况甚至会导致制动系统失效或烧毁。这种现象在爬坡时更为明显。由此可见，牵引力控制系统在极限状态下的可靠性是较差的。个人认为，它对于车辆越野性能的提高并不能起到较大的帮助，属于“越野鸡肋”。所以在SUV上，牵引力控制系统一般并不单独存在，而是作为配合其他限滑装置的辅助手段，协同工作。除此以外，还有两类纯机械限滑装置，分别是黏性耦合器和扭矩感应自锁式差速器。先说说前者，对于一些不需要较强越野性能的SUV来说，100%锁定的机械式差速锁并不适合它们，于是工程师们发明了黏性耦合装置。黏性耦合器中平行装有很多片间距很小的摩擦片，相邻的两片分别安装于耦合器外壳和深入其中的传动轴上。粘性耦合器内部充满了硅油。传动轴与外壳分别连接于差速器两端的两个半轴上，当车辆直线行驶或进行正常的弯道行驶时，由于摩擦片之间只发生较小的相对转动，黏性耦合器并不会限制差速器的工作。但当两侧驱动轮的转速差超过某一临界值（这取决于硅油的黏性）时，由于内部的硅油会被高速搅动，膨胀并产生黏性，使得黏性耦合器形成类似锁住的现象。这样两侧驱动轮的阻力达到新的平衡。附着力较大的一侧驱动轮获得动力，得以继续驱动车辆前进。当两侧驱动轮之间的转速差减小至临界值以下时，硅油温度降低，黏性耦合器不再产生“黏性”，差速器恢复工作，车辆正常行驶。下图：粘性耦合器结构示意图再说说扭矩感应自锁式差速器。扭矩感应自锁式差速器也被称为“托森差速器”，这个名字其实就是“TORQUESENSITIVE（扭矩感应）”的缩写“TORSEN”。这种差速器内部是由蜗轮蜗杆组成的。在常规行驶时，蜗杆齿轮不影响半轴输出速度的不同。如车辆向左转弯时，右侧驱动轮的旋转速度比差速器快，而左侧驱动轮的旋转速度则要低于差速器，左右速度不同的蜗轮能够严密地匹配同步啮合齿轮。此时蜗轮蜗杆并没有锁止，因为扭矩是从蜗轮到蜗杆齿轮。例如一侧驱动轮打滑时，蜗轮蜗杆组件发挥作用，此时快速旋转的一侧半轴将驱动同侧蜗杆，并通过同步啮合齿轮驱动另一侧蜗杆，此时蜗轮蜗杆特性发挥作用。当蜗杆驱动蜗轮时，它们就会锁止，两侧蜗杆实现互锁，保证了非打滑驱动轮具有足够的牵引力。形象地讲，扭矩感应自锁式差速器会自动向受到阻力较小的一侧驱动轮更多地分配扭矩，帮助车辆实现“限滑”。扭矩分配通常能够在25%—75%之间连续变化，从而能够确保附着力较高的驱动轮始终被传递一定的扭矩用以驱动车辆前进。下图：托森差速器的原理示意图。当车辆正常行驶的时候，差速器壳P转动，同时带动蜗杆3和4转动，此时3和4之间没有相对转动，于是红色的1轴和绿色的2轴以同一个速度旋转。而当一侧车轴遇到较大的阻力而另一侧车轴空转的时候，例如红色车轴遇到较大的阻力，则一开始它静止不动，而差速器壳还在旋转，于是带动蜗杆齿轮4沿着红色轴滚动，4滚动的同时又带动3旋转，但是3与绿色的车轴2有自锁的效果，所以3的转动并不能带动绿色车轴2转动，于是3停止转动，同时又使得4也停止转动，于是4只能随着差速器壳的转动带动红色车轴旋转，即将扭矩分配给了红色车轴，车辆脱困。这是一套典型的“扭矩感应自锁式差速器”外观图这两类“限滑”装置（黏性耦合器和扭矩感应自锁式差速器）的共同优点在于它们都采用纯机械结构，无需电子系统介入，使得这两套系统（特别是后者）的可靠性都较高。前者理论上讲虽然能够具有差速锁的功能，但由于硅油需要一定时间升温，所以黏性耦合器的锁止存在一定滞后，而且也只能在打滑的一瞬间工作，持续性差，虽然能够被动地在一定程度上帮助车辆脱困，但实际上并不适合越野行驶。它通常也需要与其它限滑辅助装置共同作用，才能从根