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第三课开讲啦 从乐高中了解汽车差速器
作者:快频彩票    发布日期:2021-02-15 17:22


  大家好,龟龟又回来了。之前龟龟为大家介绍了什么是汽车尾翼和发动机增压等常见的问题,感兴趣的朋友可以通过下方链接回顾。

  最近相当一段时间以来,我都沉迷于乐高积木无法自拔,尤其是乐高机械组的产品真是让我欲罢不能,应证了许多人说过的那句话,模型穷三代,乐高毁一生。为什么沉迷乐高,其实最主要的原因就是在一次偶然的接触中,拼装乐高的时候发现即便是一个积木玩具,居然也能够将汽车的许多基础结构还原出来,并且可以长时间运转,包括什么发动机啊、变速箱啊、车架啊、转向机构啊、甚至是悬挂系统等等,都用积木的方式进行了功能性还原,今天龟龟就要带大家入坑,顺便给大家形象的解读一下,什么是汽车的差速器。

  我们先来回顾一下历史,在中国的历史发展当中,马车一直都扮演着重要的角色,无论是运输还是出行甚至礼节方面。但是你会发现我国古代的马车中更多的是两轮马车,鲜见四轮马车,四轮马车更多的出现在西方国家场景中。在一些文献当中确实能够看到中国四轮马车的身影,但也更多的是高官或是皇帝出行的礼节性使用,在民间作为主要运力的依然是两轮马车,前面由长杆连接马畜后面两个木质车轮布置于车厢两侧。论舒适性还是宽敞程度来说,四轮马车明显优于两轮马车,但为什么在古代的中国没有完全普及开来呢?其中一个主要原因就是,在当时的中国并没有解决四轮马车的转向问题,而关于转向问题,一个要解决车轮方向改变的问题,更重要的还要解决车轮转速差的问题。

  不少人已经开始晕了吧,形象点来说,如下图所示,如果车辆是按照一条直路行驶的话,车辆的所有车轮行进的距离都是一样的,不存在什么转速差的问题。那么无论是两轮马车还是四轮马车,都没有什么问题,并且四轮马车拥有更大的车架,舒适性也会更好一些,反倒是两轮马车多多少少会随着前方的马匹跑动而带来上下颠簸起伏。

  但是如果是转弯的情况下呢?我再秀出我的九年义务教育的绘画功底给大家画一个示意图大家或许也就明白了。

  我们假设车辆在做一个圆圈行驶,在这个情况下,我们可以理解为车辆的中心、车辆左侧轮胎和右侧轮胎是在画同心圆,十分明显的我们可以看到车辆在完整的行驶完一个圆形路线之后,内侧车辆和外侧车轮所行进的距离是不一样的。这个差别到底有多少,根据圆的周长公式C=2R,这个R就是图中标出的三段半径长度,而车辆的宽度是固定的,大致可以认为车辆的宽度会影响两侧轮胎的具体转速差,越宽的车辆,在转弯的时候两侧车轮转速差就会更大。

  也正因为这个差别,导致两侧车轮使用同一转轴的马车在转弯的时候只能靠马匹的生拉硬拽来克服摩擦力,造成转弯不便,不仅仅是四轮马车,初期的两轮马车同样采用同一转轴来连接两侧车轮,在转弯的时候也会有相同的问题,但很快就有人提出左右轮子分别挂载,不采用同一根转轴这样两侧车轮就成为一个自由轮,互不干扰,成功解决了转弯时候车轮转速差的问题。但是采用这个方法的话,木质材料搭配铁片固定的结构强度大幅下降,很大程度上会影响车辆的载重能力,当然这个问题在现代汽车的纯合金材料上已经不复存在了。而且这么做也有一个弊端,就是无法实现动力接入,既要较大的载重负担能力,并且要具备动力接入的能力,还得解决车辆左右轮转速差的问题,差速器也正式为此而生。

  今天这一期龟龟准备用一个乐高玩具上搭载的差速器来给大家科普一下差速器长什么样,差速器是如何工作的。

  在乐高玩具中还配备了差速器?未接触过乐高科机械组的人或许会觉得有些诧异,这个听起来十分专业的结构怎么会出现在一个积木玩具中呢,并且依靠玩具颗粒可以实现完整的功能?答案当然是肯定的。

  其实乐高在许多年前就开始推出汽车类的相关产品,从一开始的创意系列,到如今刚跨过40周年的机械组系列,除了街景以及城市系列之外,机械组系列自从创立至今就拥有一群忠实粉丝,原因有很多个方面,一是机械组系列当中有许多产品是会经过汽车品牌的官方授权,现如今的机械组能够很大程度上还原原型车的设计,看到许多细节能够用积木来进行还原是一件很兴奋的事情。另一个,是机械组系列产品会用积木的搭配来进行结构传递还原,顾名思义“机械”,包括动力传递或是转向机构等等都进行了仿真还原,虽然说乐高的确是属于玩具范畴,但是在许多机械部件的仿真方面的的确确是从现实汽车中来的。比如说在中大型汽车类机械组产品中就有一个常见的结构差速器。

  在整个差速器外壳的转动下,在直线行驶的时候,差速器内的三个齿轮之间相对静止,被差速器外壳带动进行同步运转,三者之间达到一个平衡,左右两边的半轴齿轮则通过刚性连杆连接车轮,这辆左右车轮转速一致,完成一个驱动的直线行驶。

  这里又要先科普一下“最小能耗原理”,在地球上,所有的物体都会倾向于保持最小能耗的状态,即便是被外力所驱的情况下也会尽量保持在最小的能耗水平。“水往低处流”就是一个很好的解释,水会选择往更低的地方流动,因为高度越低,重力势能就越小,在无外力的情况下水会保持静止而不是奔涌,因为静止时候的动能最小。

  回到我们的差速器上来,在车辆进行转弯的时候,因为前面说到的两侧行进距离不同,外侧车辆会出现滑拖,内侧车辆出现滑转,两侧轮胎的摩擦力呈反方向,这个摩擦力的改变会破坏差速器内三个齿轮之间的平衡,此时行星齿轮在两个相反的摩擦力驱使下会发生自转。

  要知道,行星齿轮会根据实时的摩擦力区别而自转,也就是说哪怕在连续的过弯中,行星齿轮也是在不同的自动调节左右车辆转速差,并且左右车轮的转速差之和永远等于差速器外壳输入动力总和。

  这也解释了许多人一直以来都被困扰的问题,在汽修厂内有时候我们看到师傅对举升机上的车辆进行车辆检测的时候,手动转动一个后轮的话,另外一边的后轮会反方向转动,并且转动幅度保持一致。

  解释到这,相信许多人也对差速器有了一定的认识了吧,差速器对于汽车行业来说的确是一个非常重要的发明,解决了许许多多的车辆行驶问题,并且龟龟在这里讲的只是一个简单的单桥差速器,后驱车辆会放置在后桥上,前驱车辆则布置在前桥上,现在许多前驱车辆的后轮都采用独立挂轮,同理后驱车辆的前轮则基本采用独立挂轮。而四驱车型则在前后桥均配备单桥差速器,但是要注意,四驱车型还配备有中央差速器,中央差速器虽然理论原理和单桥差速器差不多,但是在使用以及结构方面是有非常大的区别,这方面待日后有空再深入解释一通。

  前面说了这么多差速器的好处,但有一点一定要知道,差速器只有在常规铺装路面上对车辆的行驶带来好处,若是在越野路面上,差速器可是会帮倒忙的,为什么呢?前面说过的,左右车轮的转速差之和永远等于差速器外壳输入动力总和,那么假如车辆在越野路面碰上单侧车轮失去抓地力的情况,这个时候持续输入动力的话,根据最小能耗原理,拥有抓地力一侧的车轮会停止转动,而失去抓地力一侧的车轮会以两倍的速度空转,完全失去脱困能力。所以越野车上都会配备差速锁锁死机构,这样来保证动力能够正确的传递到具有附着力车轮上,让车辆脱困。

  好像有点跑题了,回到我们本次的主题中来,若是专门去拆一个汽车差速器来做解释的话,我相信许多人会更难以理解一个汽车差速器是如何工作的,但是在乐高玩具积木中却很好的还原了汽车差速器的结构和工作原理,从图片和文字中必然还会有很多细节方面无法解释清楚,但是对汽车构造原理感兴趣的朋友们不妨可以入手一些乐高机械组系列的产品进行理解,在拼装的过程中可以更清楚的去了解一些基础机械原理,何乐而不为呢?龟龟也会尽量给大家带来更多的汽车构造知识。

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