3.3 从变速器到差速器

利用变速器的齿轮增加了发动机的旋转力之后,旋转力经由万向节传递至差速器,差速器再将发动机的旋转力分配给左右驱动轮(轮胎)。

万向节负责将发动机的旋转力从变速器传递到差速器。如图3.1所示,变速器位于车身前端的发动机一侧,后轮驱动车(FR)的差速器位于车身后端。用于连接前端变速器和后端差速器的就是万向节。

万向节是直径10cm左右,是中空的钢管,质量轻且结实。你可以联想一下竹子。竹子是中空的,但比起树枝既轻又很难折断,与万向节类似。

万向节上有接点,是将一段一段的铁管连接在一起使用的。如果使用一根长管连接变速器和差速器,就容易因旋转力产生振动,因此万向节上设置了接点以防止这一现象的发生。挥舞手里的长棍时,长棍往往会左右晃动,而短棍则很难左右晃动。同样,把短管连接在一起就可以防止振动,平稳地将旋转力从加速器传递至差速器。

然而,跑车等使用的万向节不是由钢、而是由碳纤维制成的。碳纤维既强韧又比钢管轻,制成的万向节甚至可以单手举起。碳纤维还常用于制作高尔夫球棒和鱼竿,我想很多人都体验过它的轻巧和强韧。万向节越轻巧,就越能平稳地传递高速的旋转,也容易降低油耗。

发动机的旋转力通过万向节传递至差速器。包括把旋转力传递到左右车轮在内,差速器共有三个作用。

第一个是已经介绍过的把旋转力传递至左右车轮。第二个是再次增加由变速器增加过的发动机旋转力。第三个是转向时改变左右车轮的转速。接下来我们就详细了解一下这三个作用。

差速器的内部纵横排列着圆锥形的齿轮(图3.7),我们把这些圆锥形的齿轮称为伞齿轮。发动机的旋转力依照发动机→离合器→变速器→万向节→差速器的顺序被传递到汽车的前后方向,通过纵横排列圆锥形的伞齿轮,差速器就能改变传来的旋转力的方向并将其传递到左右车轮。

差速器的结构

图3.7 差速器的结构
※组合圆锥形的伞齿轮,改变旋转力的传递方向。

万向节的旋转带动差速器入口处的圆锥形小齿轮——伞齿轮转动,由此带动大齿轮内齿圈的转动。旋转力传递到内齿圈后,就会通过两个伞齿轮再传递至与车轮相连的传动轴。这样一来,发动机的旋转力就转化成了驱动后轮的横向的旋转力。由此,差速器就通过使用不同形状的齿轮将发动机的旋转力转化为了驱动轮的旋转力。

差速器的第二个作用是再次增加由变速器增加过的发动机旋转力。从万向节传来发动机的旋转力,首先传递到大齿轮内齿圈的意义就在于此。

借助小齿轮伞齿轮和大齿轮内齿圈的组合,从万向节传递至差速器的发动机旋转力在此再次增大。内齿圈和伞齿轮的直径比约为4:1。也就是说,即使变速器的齿轮组合的直径比为1:1(如4档时),差速器也能以4:1的比率增大旋转力。

我们把借助差速器实现的减速的比率称为最终减速比,意味着在动力传动系的末尾再进行一次减速。

例如汽车利用变速器的1档齿轮发动时,使用的是4:1的齿轮组合。这时如果再加上差速器的4:1,发动机产生的力经过变速器后就变为原来的4倍,再经过差速器入口时又变为刚才的4倍。这样一来,最初的发动机旋转力传递到后轮时就变为了原来的16倍。

之所以不在一开始就利用变速器将发动机旋转力增加到原来的16倍,是因为如果把齿轮组合的直径比设定为16:1的话,大齿轮就太大了。并且,即使是用高速齿轮行驶,也需要通过增大动力协助差速器减速。

差速器的第三个作用是协助汽车转向。想象一下汽车转向时的情况,内侧车轮和外侧车轮的行驶轨迹是不一样的。内侧转小弯,外侧转大弯,也就是说,转向时内侧和外侧行驶的距离不同(图3.8)。

转向时四个车轮的轨迹
图3.8 转向时四个车轮的轨迹

即便如此,汽车也是作为一个整体行驶的,不能让内轮和外轮相互分离。因此,需要让行驶距离短的内轮缓慢转动,行驶距离长的外轮快速转动。但驱动汽车的力必须左右相同。如果内外轮驱动汽车的力不同,就会陷入向内倾陷、向外凸出等混乱的行驶状态,导致汽车无法顺利转向,也不能保证行驶安全。

差速器能够使内轮缓慢转动、外轮快速转动,同时保证内外轮驱动汽车的力相同。我们把差速器的这个作用称为差动

即使看着图也很难从差速器的结构上理解它的差动作用。它比较复杂,也容易混乱。所以你只需要先理解差速器是通过吸收内外轮的移动差来保证汽车顺利转弯的装置就可以了,我会在第4章“转向”中详细讲解差动的机制。

发动机的旋转力借助差速器传递至两个后轮(轮胎)。准确说来,从差速器传来的旋转力是经过传动轴传递到两个后轮。与万向节不同,传动轴由铁制成。

在传动轴和两个后轮之间,拥挤地排列着悬架臂和从发动机引出的排气管,是无法再容纳像万向节一样的粗管的。并且也不需要像万向节一样长,因此也就不用太过担心旋转引起的振动,所以传动轴就使用了纤巧实心的铁棒。这就是所谓的“物尽其用”。

轮胎安装在称为轮毂的轴承上,借助传动轴传递到左右两个后轮的旋转力带动轮胎转动。这样一来,汽车的旋转力就经过动力传动系(驱动系统)传递到了驱动轮。

汽车开动啦。

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