車輪在不同路面上正常行駛的機理

摘 要：汽車行駛過程中，車輪相對路面有兩種運動狀態：滾動和滑動。車輪對路面的滑動不僅會加速輪胎磨損，增加汽車的動力消耗，而且可能導致轉向和制動性能的惡化。所以，在正常行駛條件下，應使車輪盡可能不發生滑動，這需要通過汽車差速器的作用來實現。通過對差速器的運動特性和轉矩特性的分析闡明車輪在不同路面正常行駛的機理。

關鍵詞：滾動；滑轉；滑移；運動特性；轉矩特性；直線行駛；轉向行駛

汽車行駛時需要轉向系統保持汽車直線行駛和轉向行駛，而這是通過車輪與地面的作用來完成的。汽車行駛過程中，車輪相對路面有兩種運動狀態：滾動和滑動。滑動又有滑轉和滑移兩種。設車輪中心相對路面的速度為v，車輪旋轉角速度為ω，車輪滾動半徑為r。如果v=ωr，則車輪對路面的運動為滾動，這是最理想的運動狀態；如果ω>0，但v= 0，則車輪的運動為滑轉；如果v>0，但ω= 0，則車輪的運動為滑移。

圖1 汽車轉向時驅動車輪的運動示意圖

當汽車轉彎行駛時，內外兩側車輪中心在同一時間內移過的曲線距離顯然不同，即外側車輪移過的距離大于內側車輪，如圖1所示。若兩側車輪都固定在同一剛性轉軸上，兩輪角速度相等，則此時外輪必然是邊滾動邊滑移，內輪必然是邊滾動邊滑轉。同樣，汽車在不平路面上直線行駛時，兩側車輪實際移過的曲線距離也不相等。因此在角速度相同的條件下，在波形較顯著的路面上運動的一側車輪是邊滾動邊滑移，另一側車輪則是邊滾動邊滑轉。即使路面非常平直，但由于輪胎制造尺寸誤差，磨損程度不同，承受的載荷不同或充氣壓力不等，各個輪胎的滾動半徑實際上不可能相等，因此，只要各輪角速度相等，車輪對路面的滑動就必然存在。車輪對路面的滑動不僅會加速輪胎磨損，增加汽車的動力消耗，而且可能導致轉向和制動性能的惡化。所以，在正常行駛條件下，應使車輪盡可能不發生滑動，這需要通過汽車差速器的作用來實現。應用最廣泛的普通齒輪差速器為對稱式錐齒輪差速器。對稱式錐齒輪差速器是一種行星齒輪機構。差速器殼與行星齒輪軸連成一體，形成行星架，并且又與主減速器從動齒輪固連，為主動件，設其角速度為w0；左、右半軸齒輪為從動件，其角速度為w1和w2。A，B兩點分別為行星齒輪與左、右半軸齒輪的嚙合點。行星齒輪的中心點為C，A、B、C三點到差速器旋轉軸線的距離均為r，如圖2所示。

a）差速器運動簡圖 b）差速器不起作用 c）差速器起作用

圖2 差速器運動原理

一、運動特性

1.汽車直線行駛時.此時兩側驅動車輪所受到的地面阻力相同，并經半軸、半軸齒輪反作用于行星齒輪兩嚙合點A和B（見圖2a）。這時行星齒輪相當于等臂杠桿，即行星齒輪不自轉，，行星齒輪只是隨同行星架繞差速器旋轉軸線公轉，顯然，處在同一半徑r上的A、B、C三點的圓周速度都相等（圖2b），其值為w0r。于是，w1=w2=w0，即差速器不起差速作用，而半軸角速度等于差速器殼的角速度。若角速度以每分鐘轉速表示，即n1=n2=n0，則n1+n2=2n0。

2.汽車轉向行駛時。此時兩側驅動車輪所受到的地面阻力不同。如果車輛右轉，右側（內側）驅動車輪所受的阻力大，左側（外側）驅動車輪所受的阻力小。這兩個阻力經半軸、半軸齒輪反作用于行星齒輪兩嚙合點A和B（見圖2），使行星齒輪除了隨差速器殼公轉外，還繞本身的軸以角速度w4自轉（圖2c），嚙合點A的圓周速度為w1r=w0r+w4r4，嚙合點B的圓周速度為w2r=w0r+w4r4。即左半軸齒輪的轉速增加，右半軸齒輪的轉速降低，且左半軸齒輪增加的轉速等于右半軸齒輪降低的轉速。于是，w1r+w2r=（w0r+w4r4）+（w0r?w4r4）即w1+w2=2w，若角速度以每分鐘轉速表示，n1+n2=2n0。

因此，兩半軸齒輪直徑相等的對稱式錐齒輪差速器的運動特征方程為n1+n2=2n0，它表明左右兩側半軸齒輪的轉速之和等于差速器殼轉速的兩倍，而與行星齒輪轉速無關。因此，在汽車轉彎行駛和其他形式情況下，都可以借行星齒輪以相應轉速自轉，使兩側驅動車輪以不同轉速在地面上滾動而無滑動。還可得知：①當任何一側半軸的轉速為零時，另一側半軸齒輪的轉速為差速器殼轉速的兩倍；②當差速器殼轉速為零（例如用中央制動器制動傳動軸時），若一側半軸齒輪受其他外來力矩而轉動，則另一側半軸齒輪即以相同轉速反向轉動。

二、轉矩分配

設主減速器傳至差速器殼的轉矩為M0，兩半軸的轉矩分別為 M1和M2，行星齒輪的自轉產生的摩擦力矩為MT。

1. 汽車直線行駛時。由主減速器傳來的轉矩 ，經差速器殼，行星齒輪軸和行星齒輪傳給半軸齒輪。行星齒輪相當于一個等臂杠桿，而兩個半軸齒輪的半徑也是相等。因此，當行星齒輪沒有自轉時（MT=0），總是將轉矩M0平均分配給左，右兩半軸齒輪，即M1=M2=M0/2。

2.汽車轉向行駛時。當兩半軸齒輪以不同轉速朝相同方向轉動時，設左半軸轉速n1大于右半軸轉速n2，則行星齒輪將按圖3上的實線箭頭n4的方向繞行星齒輪軸3自轉，由于行星齒輪的自轉，行星齒輪孔與行星齒輪軸軸徑間以及齒輪背部與差速器殼體之間都產生摩擦。行星齒輪所受的摩擦力矩MT方向與其自轉轉速n4方向相反，如圖3上的箭頭所示。此摩擦力矩使行星齒輪分別對左右半軸齒輪附加作用了大小相等而方向相反的兩個圓周力F1和F2。 使傳到轉的快的左半軸上的轉矩M1減小，而F2卻使傳到轉的比較慢的右半軸上的轉矩M2增加。因此，當左右驅動車輪存在轉速差時， ，左右車輪上的轉矩之差，等于差速器的內摩擦力矩MT。目前廣泛使用的對稱式錐齒輪差速器內摩擦力矩小，可以認為，無論左右驅動輪轉速是否相等，其轉矩基本上總是平均分配的。

因此，普通錐齒輪差速器的轉矩分配特性為 ，即轉矩等量分配特性。這樣的分配比例對于汽車在良好路面上直線或轉彎行駛時，都是滿意的。但當汽車在壞路面上行駛時，卻嚴重影響了通過能力。

參考文獻：

[1]李清明，汽車故障診斷與檢測技術（發動機與底盤部分），機械工業出版社.

[2]甘路，汽車維護，機械工業出版社.

作者簡介：劉甫勇，湖北省襄陽，襄陽汽車職業技術學院，主要從事汽車類教學研究。