如果仅是直线行驶,车辆左右两侧车辆都会以相同转速旋转,两侧并无速度差。而遇到转弯时,车辆外侧车轮就需要比内侧车轮行驶更长的距离。如果汽车两侧车轮还像三轮车那样用一根轴连接,那势必也会出现转弯困难,磨胎打滑等问题。
为了解决转弯时两侧车轮不等速的问题,除了要将驱动轴打断变成两根半轴之外,还得在中间安装一个差速器才行。
最简单的差速器,由四个伞形齿两两啮合而成,也即是左右半轴各有一个伞形齿,然后中间再用两个伞形齿做为连接桥梁。虽然说,中间只用一个桥梁伞齿(中间伞形齿)也能使用,但用两个,甚至四个伞齿,能进一步增加整体稳定性。
多个齿轮互连的设计非常有意思,也非常巧妙。首先,最显而易见,在没有外界的力的作用的情况下,左右两轮可以互相影响,也即是说,用手拨动一侧车轮,另一侧车轮会向相反方向旋转。
而如果收到外部作用力,也就是发动机向差速器提供动力时,动力经过变速箱传递给差速器外壳,差速器外壳先带动中间桥梁伞齿,再由中间桥梁伞齿带动左右伞齿,最后带动车轮行驶。如果整个差速器做工合格,内部摩擦较小的话,左右轮可以正好分到一半的动力(扭矩),车辆也不会跑偏。
也正由于以上两个特性,车辆走直线时,能保持稳定不跑偏。而在转弯时,两侧车轮相互影响,自动调整转速,一侧加快一侧减慢(转速改变,扭矩不变,依然各得到一半扭矩),保证车辆顺利转弯。
然而事情总不会万事顺利。对这种仅仅由四个伞齿构成的开放式差速器,在遇到冰雪路面和越野路面就会显得力不从心。
刚才提到,两侧车轮都会分到一半扭矩,而这一半扭矩,也是一侧车轮的驱动力。在冰雪路面上,如果仅有一侧车轮能抓住地,而另一侧车轮在冰上开始打滑的话,就会出现动力全部移向打滑车轮的情况。出现还有附着力的车轮分不到动力,而打滑车轮飞速旋转的尴尬。
对于越野路面也非常相似,一侧车轮陷在泥沙地里,它反而分不到动力,眼睁睁看着另一侧车轮飞转。
为了应对上面遇到的尴尬,这时就需要限制差速器差速的本事,工程师们发明了限滑差速器,让差速器只能在一些范围内起到差速作用。限滑差速器则种类非常之多,我们下期在细细讲解很多类型之间的区别。
差速器的作用首先是向两侧半轴传递动力,当车辆转弯的时候,实现两侧半轴以不同的转速旋转,使车轮尽可能的以纯滚动的方式做不等距运动,减小汽车转弯时的阻力,同时也减少轮胎与地面的摩擦,延长轮胎寿命。可以说,差速器在卡车上是一个必不可少的部件。
差速器在直线行驶的时候差速器是不起作用的,行星齿只是围绕着半轴齿做公转而不产生自转。此时,两侧车轮的转速相同。也就是说,传动轴转速和两侧车轮的转速关系是平衡的。
转弯时,由于外侧车轮的运动轨迹比内侧车轮长,如果连接两个车轮的轴是一个刚性的整体,就会使外侧车轮产生拖滑现象,而内侧车轮则产生滑转现象,使得车辆阻力增大,加剧轮胎磨损,同时还会使车辆转弯困难。
有了差速器,在转弯时两个车轮产生两个相反方向的力矩,通过半轴反应到半轴齿上,迫使行星齿产生自转,使内侧半轴齿转速减慢,而外侧加快,这就使得两侧的车轮的转速实现了差异化,以此来实现了差速,这就是差速器的工作原理。并且这个转速调整是自动完成的,这样的一个过程的核心就是“最小能耗原理”。