汽车也要“脑筋急转弯”

【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。

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”。

悬空的前轮

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！

 参考文献：

[1]参考《体育经济-纳斯卡之道》[美]罗伯特·G·哈格斯特龙，P5，达林顿赛道第一、第二弯半径525英尺，第三第四弯半径600英尺；

[2]百度百科，差速器：http://baike.baidu.com/view/31033.htm

[3]长安福特新福克斯：

http://www.ford.com.cn/cars/new-focus/features/performance

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