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四类分(fēn)动箱详解

来源:源裕鑫汽配      发布时间:2011-04-29       阅读次数:

所谓分(fēn)动箱,就是将发动机的动力进行分(fēn)配,分(fēn)别输出给前轴和后轴的装置。从这个角度可(kě)以看出,分(fēn)动箱实际上是四驱車(chē)上的一个配件。随着四驱技术的发展,分(fēn)动箱也一直进行着改变,并逐渐形成了风格迥异的分(fēn)动箱,匹配在不同诉求的四驱車(chē)上,它们的基本原理(lǐ)和功能(néng)也都是各不相同的。

传统分(fēn)时四驱的分(fēn)动箱
最早的四驱技术,是基于提高車(chē)辆的通过性开发的,我们把它称作越野四驱。这类車(chē)型的鼻祖威利斯吉普,就是二战美军為(wèi)了加强前線(xiàn)步兵和指挥官作战的机动性开发出来的。它采用(yòng)的分(fēn)动箱是最基本的分(fēn)时四驱分(fēn)动箱,是一种纯机械的装置。这种结构的分(fēn)动箱,在挂上4驱模式的时候,前后轴是刚性连接的,可(kě)以实现前后动力50∶50的分(fēn)配,对于提高車(chē)辆的通过性非常有(yǒu)利。另外由于它的纯机械结构,可(kě)靠性很(hěn)高,这对于经常在缺少救援的荒野行驶的車(chē)型是至关重要的。即使到现在,仍然有(yǒu)大量的硬派越野車(chē)采用(yòng)这种分(fēn)动箱,就是基于它这个特点。下面我们就来看看这种分(fēn)动箱的基本结构和原理(lǐ)。
在此类車(chē)型的分(fēn)动箱挡把上,我们会看到2H、4H、N、和4L的切换挡位。当挂2H时,此类車(chē)型就是一台后驱車(chē),发动机的动力经过变速箱以后,通过一根传动轴直接连接到后轴上。而分(fēn)动箱的作用(yòng),就是在变速箱上,再引出一根输出端,并通过静音链条,将动力传递到前轴的输出轴。当然,这并不是直接连接的,否则就无法切换4驱和2驱了。事实上,它是通过两组齿轮实现分(fēn)离和连接的,它的结构和原理(lǐ)类似于变速箱的一轴和二轴。切换时,扳动分(fēn)动箱的挡把,通过拨叉将动力与前传动轴接通和断开。与现在主流的带同步器的变速箱不同,这个部位的切换是没有(yǒu)同步器的,它需要转速与轮速的完全匹配。这就是这种分(fēn)动箱的基本原理(lǐ)。
但实际情况并不会这么简单,為(wèi)了提高通过性能(néng),这类分(fēn)动箱还会有(yǒu)一个加力挡,也就是挡把上的4L模式。在变速箱上,有(yǒu)一个齿比更大的齿轮,当挂上这个齿轮时,能(néng)提供比日常驾驶高很(hěn)多(duō)的主传动比。我们发现,当我们需要挂4L时,必须经过一个N挡,此时变速箱会将动力与每个传动轴分(fēn)开,而挂上4L时,将接通这个齿比更大的齿轮。这个切换的过程,也是没有(yǒu)同步器的。
知道了这个原理(lǐ),我们再来看看此类分(fēn)动箱各个模式的操作特性。熟悉传统越野車(chē)的車(chē)友都知道,这种分(fēn)动箱,在2H和4H之间切换时,不需要停車(chē),一般可(kě)以在80公里/小(xiǎo)时的时速下自由切换。而切换到2L时,则必须停車(chē)切换,否则根本挂不进去,这是為(wèi)什么呢(ne)?
无论是2H模式还是4H模式,动力一直是与后轴接通的,后轮的轮速与发动机转速完全匹配。而此时只要車(chē)轮没有(yǒu)打滑,前轮与后轮的轮速是一样的,因此在2H与4H之间切换时,发动机转速与前输出轴的转速是匹配的,即使没有(yǒu)同步器,也完全可(kě)以进行切换。因此在2H模式和4H模式间切换,完全可(kě)以在行車(chē)中进行,不需要停車(chē)切换。但到了4L模式的转换时,情况就完全不同了。
从4H切换到4L模式,需要先将分(fēn)动箱切换為(wèi)N挡,此时发动机动力与每个車(chē)轮都断开,发动机转為(wèi)怠速工况。此时如果挂4L,車(chē)轮的轮速与发动机的转速会很(hěn)难匹配,相当于一台不带同步器的車(chē)行驶过程中想挂一挡,这显然是很(hěn)难的。
这种分(fēn)动箱前后轴之间是没有(yǒu)差速器的,因此在附着力高的公路上驾驶只能(néng)挂2H,4驱模式仅仅是在沙石路面以及OFF-ROAD路段為(wèi)提高通过性而设计。因此采用(yòng)这种分(fēn)动箱的四驱車(chē)一般都是硬派越野車(chē),它在OFF-ROAD路段很(hěn)厉害,但在公路上则表现平平。
早期的分(fēn)时四驱,是完全靠手动切换的,发展到后来,出现了電(diàn)动切换的分(fēn)时四驱,它的基本原理(lǐ)与手动切换的分(fēn)时四驱是一样的,只不过所有(yǒu)的切换是通过電(diàn)机来完成罢了。

全时四驱分(fēn)动箱
随着四驱技术的发展,人们已经不能(néng)仅仅满足于只能(néng)越野的四驱車(chē)。在公路上,采用(yòng)四驱技术的車(chē)辆能(néng)提供更好的驱动力和操控性能(néng),因此全时四驱诞生了。
硬轴连接的四驱車(chē)不能(néng)实现公路四驱驾驶的最主要的原因,是它无法在公路上高速转弯。因為(wèi)在转弯的时候,每个車(chē)轮所压过的弧線(xiàn)長(cháng)度不一样,这就意味着每个車(chē)轮的转速都不能(néng)一样。事实上,前轮的转速是会高于后轮的,如果刚性地把发动机的动力通过传动轴分(fēn)配给前后車(chē)轮的话,那么前后車(chē)轮的转速就必须保持一致,这个矛盾将导致前后車(chē)轮在转向的时候发生转向干涉。这在附着力低的沙石路面可(kě)以通过轮胎与地面的滑动摩擦解决,而在干燥路面则会产生一个制动力,让車(chē)不能(néng)前进,这就是我们常说的转向制动。
為(wèi)了解决这个矛盾,工程师在分(fēn)动器中加入了一个差速器,这就是我们现在常说的中央差速器。这个差速器是开放式差速器,结构与前后轴的差速器一样,变速箱的输出轴通过行星齿轮组将动力分(fēn)配给前后轴。根据开放式差速器的原理(lǐ),它可(kě)以调整转速差。这样的结构是不是就算是全时四驱了呢(ne)?早期全时四驱的雏形确实是这样的,但我们会发现,这样的四驱系统对于提高通过性来说毫无意义。我们知道,开放式差速器的功能(néng)是把发动机动力分(fēn)配给受阻力小(xiǎo)的車(chē)轮,如果一台車(chē)上使用(yòng)了三个开放式差速器(前后轴各还有(yǒu)一个差速器)来调节转速差的话,那么如果有(yǒu)一个車(chē)轮受阻力最小(xiǎo),动力就会100%地传递给这个車(chē)轮。显然这种四驱是毫无意义的。
為(wèi)了解决这个问题,不同的工程师采用(yòng)了两种不同的方案。
一种是差动限制器。我们已经知道,开放式差速器会将动力传递给受阻力较小(xiǎo)的車(chē)轮,那如果我们给这辆車(chē)人為(wèi)施加一个阻力,动力自然就能(néng)传递给没有(yǒu)打滑(仍然有(yǒu)抓地力)的車(chē)轮了。它的基本结构是一种类似于离合器的装置,只不过它有(yǒu)很(hěn)多(duō)组,我们把它称作多(duō)片离合器式差动限制器。在差速器壳體(tǐ)和两个输出轴各有(yǒu)一组钢片,它们相互交错,正常情况下互相之间是分(fēn)离的。如果此时前轮打滑,它会将与前轴的离合器片压合,从而将动力更多(duō)地传递给后轮,后轮打滑的道理(lǐ)是一样的。这种差动限制器的种类有(yǒu)很(hěn)多(duō),有(yǒu)通过硅油实现的机械式(关于硅油的原理(lǐ)后文(wén)会详述),也有(yǒu)通过電(diàn)子控制离合器开合的電(diàn)子式。在比较高档的車(chē)型上,它的差动限制器不仅解决車(chē)轮打滑的问题,还能(néng)起到主动分(fēn)配动力的作用(yòng),甚至可(kě)以实现让动力从0-100%之间在前后轴自由分(fēn)配。
另一种则是中央差速锁。它实际上相当于在需要提高通过性的时候,可(kě)以将前后轴实现硬轴连接,动力按照50∶50分(fēn)配给前后轴。它的基本结构是,在前后轴之间装有(yǒu)摩擦钢片,当前轮或者后轮打滑时,机械装置会通过電(diàn)磁阀的控制将二者咬合实现50∶50的固定动力分(fēn)配。还有(yǒu)一种全时四驱的分(fēn)动器结构,那就是著名的奥迪QUATTRO。它主要是通过蜗杆行星齿轮来实现的,结构很(hěn)复杂,这里就不再详述了。它这种结构能(néng)解决转速差的问题,起到开放式差速器的作用(yòng),同时又(yòu)能(néng)自动将动力分(fēn)配给受阻力最大的问题,起到差动限制器的作用(yòng)。它可(kě)以实现动力25%—75%之间的自由分(fēn)配,而所有(yǒu)这些,都是通过它核心的托森差速器来实现的,更為(wèi)神奇的是,这个托森差速器没有(yǒu)用(yòng)到任何電(diàn)磁装置,是纯机械式的。无论多(duō)先进的電(diàn)子设备都有(yǒu)响应滞后的问题,因此与其他(tā)厂家的技术相比,纯机械的QUATTRO在响应速度方面是无人能(néng)及的。当然它也有(yǒu)弊端—结构复杂、造价高、动力传递损失大是它无法跨越的硬伤。
与全时四驱匹配的还有(yǒu)電(diàn)子差速制动,主要是用(yòng)来调整左右車(chē)轮的转速差的,相当于前差速锁和后差速锁。与差动限制器相比,它的能(néng)量损耗较大,一般不用(yòng)来实现前后車(chē)轮的动力分(fēn)配。

适时四驱的分(fēn)动箱
在此之后,有(yǒu)些厂家的工程师们发现,并不是所有(yǒu)路况都需要四驱系统的,例如在正常公路巡航驾驶的时候,只通过两轮驱动就完全能(néng)满足所有(yǒu)的驾驶需求了。此时如果仍采用(yòng)全时四驱,既不经济,也没有(yǒu)必要。因此,在多(duō)数情况下只是两轮驱动,而在必要的时候自动变為(wèi)四驱的适时四驱诞生了。
适时四驱也有(yǒu)两种解决方案,一种是以本田CR-V為(wèi)代表的通过粘性连轴节实现;一种是以上一代的4-MATIC為(wèi)代表的通过多(duō)片离合器实现。它们虽然都能(néng)达到正常时两轮驱动,驱动轮打滑时自动接通四驱的效果,但结构和功能(néng)还是有(yǒu)區(qū)别的。
CR-V為(wèi)代表的这类适时四驱分(fēn)动箱结构最為(wèi)简单,它是基于前横置发动机前轮驱动的技术平台,在两驱方面,与之前的轿車(chē)平台完全一样。在此基础上,工程师在变速箱上引出一根通往后轴的输出轴,与后桥差速器之间,采用(yòng)粘性连轴节连接。在这个连轴节里充满了硅油,它的特点是温度升高以后粘度也会迅速升高。在连轴节的输出端和输入端,都装有(yǒu)一个叶片,就类似于液力变矩器的结构。当正常行驶前轮没有(yǒu)打滑的时候,前后轮之间是没有(yǒu)轮速差的,这个粘性连轴节里的两根轴相互之间也就没有(yǒu)转速差。此时动力是不会传递给后轴的。当前轮打滑的时候,前轮的转速将大于后轮,此时粘性连轴节里的输入端转速会超过输出端,就如同液力变矩器一般,能(néng)够将动力传递给后轴。不仅如此,由于转速差能(néng)导致硅油升温而变粘稠,从而进一步增加对动力的传递,驱动后轮。通过这个结构我们会发现,它的响应速度是比较慢的,而且动力传递也很(hěn)有(yǒu)限,很(hěn)难将50%的动力分(fēn)配给后轴。但它的结构简单、成本低,对于以城市道路驾驶的SUV来说,基本能(néng)满足其需求。
上一代4-MATIC為(wèi)代表的适时四驱分(fēn)动箱,结构比粘性连轴节的适时四驱要复杂一些,与前面所说的中央差速锁有(yǒu)些类似,它是通过電(diàn)磁离合器来实现四驱接通的。它同样是基于两驱平台开发出来的四驱系统,在变速箱的一端通过盆型齿轮引出一根传动轴将动力传递给前轮,之间靠多(duō)片离合器连接。它的接通与断开的原理(lǐ)与之前说的中央差速锁的原理(lǐ)类似,这里就不赘述了。它的好处是结构比全时四驱简单,响应速度和动力分(fēn)配比粘性连轴节要好。
随着结构的四驱技术的进一步发展,现在有(yǒu)些車(chē)型已经可(kě)以实现动力的自由分(fēn)配了,很(hěn)多(duō)的官方宣传把这种四驱也称作全时四驱,事实上是不准确的。与具备中央差速锁的真正全时四驱相比,这种靠多(duō)片离合器实现动力分(fēn)配的所谓全时四驱,最多(duō)只能(néng)将动力的50%分(fēn)配给从动轮,而且在转弯时的动力分(fēn)配等方面,都无法达到真正全时四驱的水平。从本质上说,这类四驱仍然只能(néng)称作适时四驱,例如大众的4-Motion……

超选四驱分(fēn)动箱
这个称呼是三菱的,一直以来也被看做是三菱的看家技术。
从分(fēn)动箱的挡把看,它更像是传统的分(fēn)时四驱系统,所不同的是,它是具备中央差速器的。当挂上4H的时候,不仅能(néng)在沙石路面上高速行驶,也能(néng)在普通公路上实现公路四驱的功能(néng)。而它提供的4HLC和4LLC选项,则是锁上了中央差速锁的四驱模式,在这个时候,它与分(fēn)时四驱的4H和4L的功能(néng)是一样的。
之所以三菱称之為(wèi)超选,实际上是因為(wèi)它比所有(yǒu)的四驱系统可(kě)选择的范围都要多(duō)。一般的全时四驱車(chē),只能(néng)选择四驱行驶,在不需要四驱的时候,这样的方式显然不经济;而适时四驱虽然可(kě)以实现两驱,但在四驱的时候无法达到真正的全时四驱的性能(néng);分(fēn)时四驱就不用(yòng)说了,它完全不能(néng)实现公路四驱驾驶。而所有(yǒu)这些,超选四驱都能(néng)选择—想经济性好,就挂上2H,想公路全时四驱就挂上4H,想达到与传统分(fēn)时四驱一样的通过性,就挂上4HLC或者4LLC。