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(tài)：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(dǎo)致轉(zhuǎn)向和制動性能的惡化。所以，在正常行駛條件下，應(yīng)使車輪盡可能不發(fā)生滑動，這需要通過汽車差速器的作用來實現(xiàn)。通過對差速器的運動特性和轉(zhuǎn)矩特性的分析闡明車輪在不同路面正常行駛的機理。

關(guān)鍵詞：滾動；滑轉(zhuǎn)；滑移；運動特性；轉(zhuǎn)矩特性；直線行駛；轉(zhuǎn)向行駛

汽車行駛時需要轉(zhuǎn)向系統(tǒng)保持汽車直線行駛和轉(zhuǎn)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(tài)：滾動和滑動?；瑒佑钟谢D(zhuǎn)和滑移兩種。設(shè)車輪中心相對路面的速度為v，車輪旋轉(zhuǎn)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(tài)；如果ω>0，但v= 0，則車輪的運動為滑轉(zhuǎn)；如果v>0，但ω= 0，則車輪的運動為滑移。

圖1 汽車轉(zhuǎn)向時驅(qū)動車輪的運動示意圖

當汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，內(nèi)外兩側(cè)車輪中心在同一時間內(nèi)移過的曲線距離顯然不同，即外側(cè)車輪移過的距離大于內(nèi)側(cè)車輪，如圖1所示。若兩側(cè)車輪都固定在同一剛性轉(zhuǎn)軸上，兩輪角速度相等，則此時外輪必然是邊滾動邊滑移，內(nèi)輪必然是邊滾動邊滑轉(zhuǎn)。同樣，汽車在不平路面上直線行駛時，兩側(cè)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(cè)車輪是邊滾動邊滑移，另一側(cè)車輪則是邊滾動邊滑轉(zhuǎn)。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(dǎo)致轉(zhuǎn)向和制動性能的惡化。所以，在正常行駛條件下，應(yīng)使車輪盡可能不發(fā)生滑動，這需要通過汽車差速器的作用來實現(xiàn)。應(yīng)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(gòu)。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(shè)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(zhuǎn)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(cè)驅(qū)動車輪所受到的地面阻力相同，并經(jīng)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(zhuǎn)，，行星齒輪只是隨同行星架繞差速器旋轉(zhuǎn)軸線公轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)速表示，即n1=n2=n0，則n1+n2=2n0。

2.汽車轉(zhuǎn)向行駛時。此時兩側(cè)驅(qū)動車輪所受到的地面阻力不同。如果車輛右轉(zhuǎn)，右側(cè)（內(nèi)側(cè)）驅(qū)動車輪所受的阻力大，左側(cè)（外側(cè)）驅(qū)動車輪所受的阻力小。這兩個阻力經(jīng)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(zhuǎn)外，還繞本身的軸以角速度w4自轉(zhuǎn)（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(zhuǎn)速增加，右半軸齒輪的轉(zhuǎn)速降低，且左半軸齒輪增加的轉(zhuǎn)速等于右半軸齒輪降低的轉(zhuǎn)速。于是，w1r+w2r=（w0r+w4r4）+（w0r?w4r4）即w1+w2=2w，若角速度以每分鐘轉(zhuǎn)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(cè)半軸齒輪的轉(zhuǎn)速之和等于差速器殼轉(zhuǎn)速的兩倍，而與行星齒輪轉(zhuǎn)速無關(guān)。因此，在汽車轉(zhuǎn)彎行駛和其他形式情況下，都可以借行星齒輪以相應(yīng)轉(zhuǎn)速自轉(zhuǎn)，使兩側(cè)驅(qū)動車輪以不同轉(zhuǎn)速在地面上滾動而無滑動。還可得知：①當任何一側(cè)半軸的轉(zhuǎn)速為零時，另一側(cè)半軸齒輪的轉(zhuǎn)速為差速器殼轉(zhuǎn)速的兩倍；②當差速器殼轉(zhuǎn)速為零（例如用中央制動器制動傳動軸時），若一側(cè)半軸齒輪受其他外來力矩而轉(zhuǎn)動，則另一側(cè)半軸齒輪即以相同轉(zhuǎn)速反向轉(zhuǎn)動。

二、轉(zhuǎn)矩分配

設(shè)主減速器傳至差速器殼的轉(zhuǎn)矩為M0，兩半軸的轉(zhuǎn)矩分別為 M1和M2，行星齒輪的自轉(zhuǎn)產(chǎn)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(zhuǎn)矩 ，經(jīng)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(zhuǎn)時（MT=0），總是將轉(zhuǎn)矩M0平均分配給左，右兩半軸齒輪，即M1=M2=M0/2。

2.汽車轉(zhuǎn)向行駛時。當兩半軸齒輪以不同轉(zhuǎn)速朝相同方向轉(zhuǎn)動時，設(shè)左半軸轉(zhuǎn)速n1大于右半軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，由于行星齒輪的自轉(zhuǎn)，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(chǎn)生摩擦。行星齒輪所受的摩擦力矩MT方向與其自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的快的左半軸上的轉(zhuǎn)矩M1減小，而F2卻使傳到轉(zhuǎn)的比較慢的右半軸上的轉(zhuǎn)矩M2增加。因此，當左右驅(qū)動車輪存在轉(zhuǎn)速差時， ，左右車輪上的轉(zhuǎn)矩之差，等于差速器的內(nèi)摩擦力矩MT。目前廣泛使用的對稱式錐齒輪差速器內(nèi)摩擦力矩小，可以認為，無論左右驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速是否相等，其轉(zhuǎn)矩基本上總是平均分配的。

因此，普通錐齒輪差速器的轉(zhuǎn)矩分配特性為 ，即轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)（發(fā)動機與底盤部分），機械工業(yè)出版社.

[2]甘路，汽車維護，機械工業(yè)出版社.

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