四驅(qū)不帶軸間差速的驅(qū)動原理解析

唐家兵

摘 要：文章對四驅(qū)車輛軸間無差速驅(qū)動原理進(jìn)行了定性分析，給出了邊界條件，展示出了空檔滑行的試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，給業(yè)界同行在考慮是否需要設(shè)置差速器時，提供了思考問題的方向和借鑒。

關(guān)鍵詞：四驅(qū);差速器;硬驅(qū);打滑;拖拽

Abstract： Theory of non-differential mechanism between two driving axles in four driving vehicles is analyzed qualitatively in this paper and some limitations are given. the author also gives the example of coasting simulation. The author hope this paper can give industry peers some advise on whether to take use of differential mechanism between two driving axles.

引言

如圖1所示，四驅(qū)車輛（包括汽車、軌道交通、拖拉機(jī)等均有四驅(qū)應(yīng)用）的驅(qū)動系統(tǒng)中，通常在兩個驅(qū)動軸之間會設(shè)置差速器，這是因?yàn)閮蓚€驅(qū)動軸輸入轉(zhuǎn)速相等的情況下，如果輪胎是理論上完全剛性的，由于兩軸輪胎大小不一致時，會產(chǎn)生線速度不相等而產(chǎn)生運(yùn)動干涉，車輛無法驅(qū)動。但現(xiàn)實(shí)中輪胎不是剛性的，具有彈性，車輛是可以不用軸間差速的（我們俗稱“硬驅(qū)”）。有些越野車在越野狀態(tài)采用的就是“硬驅(qū)”，拖拉機(jī)的四驅(qū)系統(tǒng)也是“硬驅(qū)”。下面我們來分析一下“硬驅(qū)”的內(nèi)在機(jī)理，供業(yè)界同行參考。

1 剛性輪胎的情況分析

如圖2所示，車輪理論上完全剛性的情況。當(dāng)出現(xiàn)兩軸輪胎大小不同時，小輪的純滾動線速度小于大輪的線速度，則小輪會因?yàn)椤芭懿悔A”而打滑，與地面打滑時，小輪受摩擦力方向與車輛運(yùn)動方向相反，不但不起驅(qū)動作用，反而起到拖滯作用，而且這個摩擦力等于小輪軸重乘以地面附著系數(shù)，也就是把地面附著系數(shù)是用完了的。而在大輪產(chǎn)生的驅(qū)動摩擦反力只要不接近打滑，則地面附差系數(shù)就沒有用完（摩擦力取決于驅(qū)動軸端的主動力）。 如果兩軸軸重相等，則小輪產(chǎn)生的拖滯力將大于或等于大輪產(chǎn)生的驅(qū)動力，即發(fā)生了動力干涉，驅(qū)動力被兩軸輪胎內(nèi)耗掉了，車輛不能前行（形象表現(xiàn)為內(nèi)部鎖死，相當(dāng)于汽車駕駛中踩差剎車轟油門的狀況）。

2 彈性輪胎的情況分析

為說明彈性輪胎的自適應(yīng)原理，我們以“硬驅(qū)”四驅(qū)車輛“無動力空檔滑行”為例說明。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于受輪胎加工及充氣壓力的影響，一定存在前輪和后輪滾動半徑不相等的情況，即出現(xiàn)大、小輪情況。

圖4中，由于輪胎是彈性的，前后輪都會有一個包角被重力壓平，下面我們分析小輪是如果通過變形自適應(yīng)的。

圖5所示，在車輛滑行的過程中，小輪由于純滾動線速度跟不上大輪，在與地面相對運(yùn)動中，會被地面的相對運(yùn)動向車輛運(yùn)動的反方向帶，此時此刻，輪胎的彈性起了關(guān)鍵的作用，我們可形象地理解為輪胎是用很軟的橡皮做的。與地面接觸部分的胎面由于純滾動“跑不贏”而被地面“拖”著向后拽時，這部分產(chǎn)生了如圖中箭頭所示方向的局部變形。胎面從著地開始到離地區(qū)間段都會有變形，離開著地區(qū)間后這個變形又被釋放掉，如此周而復(fù)始。如果輪胎夠軟，產(chǎn)生的變形量能夠補(bǔ)償“跑不贏”的部分，則這個小輪就不會真正出現(xiàn)與地面打滑的現(xiàn)象。很顯然，此時已經(jīng)產(chǎn)生了一個附加的靜摩擦阻力（地面拖拽力），關(guān)鍵是看這個阻力到底有多大，這個地面拖拽力會作用到車輪上會產(chǎn)生車輪產(chǎn)生與前進(jìn)方向一致的扭矩，相當(dāng)于小輪被地面“驅(qū)動”了，如果這個扭矩大于小輪的滾動阻尼產(chǎn)生的扭矩，則多余部分扭矩，在“硬驅(qū)”的情況下，會傳到大輪上去，由此，在空檔滑行的情況下，前后輪之間就會產(chǎn)生內(nèi)力。軸間安裝差速器可釋放掉這個力，重型汽車雙后橋驅(qū)動中全部采用了軸間差速器，否則這個內(nèi)力存在會加速傳動部件的疲勞損耗。

這個拖拽阻力的大小決定于輪胎與地面接觸部分的拖拽剛度和變形量的大小，而變形量的大小是由大小輪之間的尺寸差決定的。這個拖拽剛度是非線性的，與軸重、輪胎氣壓、輪胎結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等都相關(guān)，可以通過專用測試設(shè)備實(shí)測。可以定性的下結(jié)論，當(dāng)輪胎夠軟（剛度?。喬サ某叽鐗蚪咏鼤r（拖拽變形量?。?，則這個力就不會太大，這就是“硬驅(qū)”能工作的一個基礎(chǔ)理論。

3 “硬驅(qū)”在空檔滑行狀態(tài)的試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述理論，我們用了一輛四驅(qū)車底盤（圖6所示），將發(fā)動機(jī)和變速拆掉后，將前后傳動直接連接起來，形成“硬驅(qū)”的模式。通過在平地上人為推車（模擬空檔滑行工況，空檔滑行可以理解為車輛慣性力在推著車走）的模式來驗(yàn)證。

試驗(yàn)1：

先用原始狀態(tài)的輪胎，在氣壓都接近的情況下，也就是輪胎直徑比較接近（約355mm），人去推車，比較輕松，沒有出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

試驗(yàn)2：

將前軸兩個輪胎放掉部分氣，滾動半徑有10mm差距（345mm），推車力稍加重（跟輪胎滾動阻尼變大也有關(guān)系），但推力加大不是很明顯，沒有出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。但這種情況與輪胎直徑本身有差距情況（試驗(yàn)3）完全不一樣。雖然滾動半徑不一樣，但前后輪胎胎面周長是基本一樣的，也就是輪胎中心轉(zhuǎn)過的角度（前后軸轉(zhuǎn)過的角度一致）與胎面滾過的位移的相位關(guān)系還是對應(yīng)存在的（可以理解為橢圓純滾動，這個現(xiàn)象也表明，用滾動半徑來計(jì)算車輛前進(jìn)速度不一定正確）。為了驗(yàn)證這個理論，我們把前軸氣放到了完全沒氣，滾動半徑達(dá)到了320mm左右，這時無氣輪胎滾動阻尼顯著加大，雖然推車力明顯加重，也未觀察到打滑情況。這就是“硬驅(qū)”能工作的另一理論基礎(chǔ)，因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)打滑，阻力就很大。

試驗(yàn)3：

將前輪換成兩個小輪胎（胎面周長差距較大），滾動半徑只有325mm， 此時出現(xiàn)嚴(yán)重的打滑形象，而且推力非常大，連接前后傳動軸的連接頭焊縫也多次扭斷，可見內(nèi)部較勁扭矩也很大。此時小輪胎的打滑是間斷性的，不是連續(xù)的，這種現(xiàn)象我們稱之為“爬行”。如圖7所示，我們觀察到地面上的砂紙運(yùn)動是間斷性的。 如果這樣的“硬驅(qū)”狀態(tài)出現(xiàn)，先別說能不能開走，就是在自由滑行狀態(tài)（減速停車過程），車輛會自動急速剎車，也就是車輛失控了，因此這種“硬驅(qū)”狀態(tài)我們工程師們一定要避免的。

“爬行”現(xiàn)象的解釋：

按照前面的理論，此時與地面接觸部分的位移等于輪胎純滾動的產(chǎn)生的位移+輪胎變形向后拖拽的位移之和，只要這個位移與車輛前進(jìn)的位移能匹配，則不會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。隨著輪胎變形量的增加，變形阻力隨之增加，沒有打滑之前，這個阻力表現(xiàn)為靜摩擦力，與變形阻力剛好相等并形成抗衡。 隨著輪胎變形量的增加，當(dāng)靜摩擦力到達(dá)最大靜附著力時， 形象地表現(xiàn)為“止不住了”，此時抗衡被打破，輪胎與地面即產(chǎn)生爆發(fā)式滑移（實(shí)質(zhì)是靜摩擦與動摩擦之間的切換過程，且輪胎旋轉(zhuǎn)方向的彈性能量得到部分釋放，瞬間彈回一段行程，因?yàn)殪o摩擦力比動摩擦力大）。這樣完成一次爬行循環(huán)。爬行完后，又進(jìn)入非爬行階段，而后重復(fù)上面的能量累積過程直到又出現(xiàn)爬行。最終形成我們看到的間斷性爬行形象。

4 “硬驅(qū)”在驅(qū)動狀態(tài)的理論解析

“硬驅(qū)”在驅(qū)動狀態(tài)下比上面的受力模型要復(fù)雜一些，如圖8所示。

中間的“順時針方向箭頭”表示驅(qū)動狀態(tài)下輪胎軸心處相對胎面的扭矩方向和變形方向，則胎面相對于輪胎軸心是逆時針變形。另一方面，“硬驅(qū)”狀態(tài)下，從前面的理論可知，小輪與地面接觸部分是一定會被拖拽向后變形的，也就是這部分胎面相對于軸心是順時針方向變形。因此，小輪與地面接觸部分變形是由驅(qū)動和拖拽引起的組合變形，一個往逆時

針方向，一個往順時針方向，就看誰力量更大。會出現(xiàn)以下面兩種情形：

（1）當(dāng)驅(qū)動扭矩小于拖拽扭矩+滾動阻尼時，此驅(qū)動輪還是處于制動狀態(tài)，不起驅(qū)動作用。但小輪與地面接觸部分拖拽變形量會比純空檔滑行情況要小，也就是被驅(qū)動扭矩補(bǔ)償了一部分。

（2）當(dāng)驅(qū)動扭矩大于拖拽扭矩+滾動阻尼時，此驅(qū)動輪才處于驅(qū)動狀態(tài)，由于被拖拽扭矩吃掉了一部分，純驅(qū)動扭矩比動力系統(tǒng)希望輸出扭矩要?。ㄍ献ぞ貢岒?qū)動軸處于“放松”的趨勢），“硬驅(qū)”狀態(tài)下會出現(xiàn)小輪端的傳動軸扭矩比大輪端小的情況，動力輸出已經(jīng)不平衡了。這也是我們在設(shè)計(jì)硬驅(qū)時，必須考慮前后軸軸間扭矩分配不平衡問題，而差速器理論上就解決了扭矩平衡問題。

5 “硬驅(qū)”在實(shí)際應(yīng)用中的建議

從上面分析可以看出，四驅(qū)無軸間差速器或者兩驅(qū)無輪間差速是存在應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)，但也不是一定不能用。有些地方用了差速器反而風(fēng)險(xiǎn)更大，如四驅(qū)拖拉機(jī)配軸間差速器，耕地時打滑風(fēng)險(xiǎn)大，會頻繁使用差速鎖，因此四驅(qū)拖拉機(jī)一般都不配軸間差速器。在其他場合，如果有可能，盡量采用差速器，理論上避開風(fēng)險(xiǎn)。

如果確實(shí)要采用不帶軸間差速器的“硬驅(qū)”結(jié)構(gòu)，則首先是設(shè)計(jì)時可按上述理論考慮“拖拽”的影響，兩軸車輪直徑盡量接近，在滿足使用條件的前提下，輪胎在扭轉(zhuǎn)方向盡量減小扭轉(zhuǎn)剛度以補(bǔ)償“拖拽”的影響。最重要的是，試制過程中，一定要通過試驗(yàn)驗(yàn)證輪胎的補(bǔ)償能力：一是通過上面描述的空檔滑行法初步判斷，二是在驅(qū)動狀態(tài)下，實(shí)際測試前后傳動軸上的扭矩大小（采用實(shí)車數(shù)采手段），以確認(rèn)不平衡狀態(tài)在設(shè)計(jì)可控范圍之內(nèi)。

6 結(jié)束語

本文對四驅(qū)無軸間差速驅(qū)動的原理進(jìn)行了定性的分析。在軌道交通行業(yè)，我們也有部分客戶用到四驅(qū)無軸間差速器或者兩驅(qū)無輪間差速的情況（與鋼輪錐形工作面自適應(yīng)原理不同），希望業(yè)界同行能從我這篇文章中得到一些思路，設(shè)計(jì)驗(yàn)證中考慮附加力產(chǎn)生的影響，充分評估是否要設(shè)置差速器。