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[原创]四轮驱动汽车的发展历史及固有问题(增补版)

楼层直达
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2005-03-06
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自从看了Raymon的《头文字D之感念--驱动方式的利弊与4wd的常见谬误》 并参与了相关的讨论之后,我也受到了“熏陶”,利用闲暇写了点东西。本人才疏学浅,其中难免有疏漏之处,请大家指正。

首先,要特别感谢Raymon很有耐心地帮我提供的车型方面的资料。我在这方面是小白……
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四轮驱动汽车的发展历史

所谓四轮驱动汽车,简洁明了的定义就是:“具有将发动机的动力传递给四个车轮的结构,并通过这些车轮驱动、行驶的汽车。”
四轮驱动结构看起来非常简单,但却有许多非常难以解决的问题。从汽车诞生之日起,人们就试图开发这种车辆,但直到很多年后才大体上解决了这些技术难题并使其得以广泛应用。
四轮驱动汽车的历史,是一部变化多端的历史。四轮驱动所追求的性能和为了达到这些性能所采取的技术措施互相影响,有时采取妥协方案,有时则通过技术上的突破使其得以发展。

三菱·RVR

Mazda Tribute(丘比特) 即将在国内上市


早期的四轮驱动汽车以越野车为主,后来方程式赛场和拉力赛车也力图使用四轮驱动系统,提高赛车的高速行驶性能,做了种种尝试。上述这些车辆都是特殊用途的汽车。
随着技术难点的不断解决,现在四轮驱动汽车的应用范围已经扩大到一般用途的车辆。而且,目前所说的四轮驱动汽车,为了追求实现其良好的行驶性能,已经采用了最新的结构。

一 能像马一样行驶的汽车

从汽油机那一百多年的历史的最初时刻,人们就开始考虑研制四轮驱动汽车。严格的说,在很久以前,即在蒸汽机时代,就已经有了装用蒸汽机的四轮驱动车。

世界上第一辆四轮驱动电动车,该电动车是Ferdinand Porsche年轻时制造的


在那么遥远的时代,为什么需要四轮驱动汽车呢?那个时代是一个只要车子能走起来就算了不起的时代,根本想不到驾车消闲的乐趣。当时认真研究四轮驱动汽车的原因,主要是为了使车辆具有在恶劣路面上行驶的能力。
当时在欧美,马车已经有很长的历史,因此,其道路修整的比较完好。但是从汽车用道路的观点来看,还是很不理想的。尤其是郊外的道路,只能说是名义上的道路而已,如果用今天铺装路面的标准衡量的话,只能说是山野土路。
在这样的道路上,二轮驱动汽车根本无法行驶。如果驱动轮陷入泥潭之中,是很难行驶出来的。与此相比,如果是马车的话,只要多抽几鞭就可以了。对于坐惯了马车的人来说,肯定会认为汽车是一种多余的交通工具,当时甚至有人说汽车是一种无马的马车,十分浅显无知,令人哭笑不得。
由此,人们盼望有一种多少近似于马车的汽车,于是想到了四轮驱动汽车。早在20世纪初期,四轮驱动汽车便开始制造、销售了。当时美国的四轮驱动汽车销量较大,主要原因是因为当时美国的道路条件原不如欧洲之故。
当时的四轮驱动汽车的结构和现在的汽车基本相同。几乎所有的四轮驱动都装用了中间差速器,是真正的常时四轮驱动。
但是,和现代的中间差速器式四轮驱动汽车相比,二者的性能和可靠性是否相同呢?回答是否定的。作为一种新技术,肯定是在数十年前就已经在试制并逐步完善,最后才显露于世的,这已经是司空见惯的事了。
这种现象在技术世界中是屡见不鲜的,以往的人们就有一种不断探索的精神。但是,虽然是同样的一种东西,它能否顺利地发展起来却又是另当别论了,有时也会由于一时的失败,而使其永远泯灭了。
在当时的四轮驱动汽车上,出现了四轮转向结构,这种结构与现在的四轮转向结构不同,该结构使前后轮同时以相同的转向角转向,但前后轮转向角方向相反。这样,可使转弯中的前后车轮转速相同,从而可以取消中间差速器,而且这种汽车的转弯半径也非常小。

Spyker四轮驱动汽车

荷兰造的Spyker汽车是世界上第一台四轮驱动汽车。该车是中间差速器式常时四轮驱动汽车。

在这一创新中,确实有非同凡响的智慧。但是,如果将其发展成为产品,却不是那么简单的事情了。当时四轮驱动汽车还不是正式的商品,即使是二轮驱动汽车也未能达到尽善尽美的地步。这种结构十分复杂的四轮驱动汽车不能商品化,也是合情合理的。
当时四轮驱动汽车不能实用化的另一个因素,是大连接角的前轮等速联轴节还没有研制出来。

二 在战争中加速开发的越野四轮驱动汽车

在两次世界大战期间,交通技术得到了飞速发展。在1914-1918年的第一次世界大战中,为了运送大量的兵员和武器弹药,已经事业了四轮驱动载重车,其运动性和可靠性已超出马车之上了。
在1939-1945年的第二次世界大战中,四轮驱动军用车辆成为了机动部队的交通工具,在战争中广泛应用。尤其是产量高大64万辆的吉普车更是名声远扬,甚至有人认为是吉普车使盟军取得了战争的胜利。

在第二次世界大战中,由于吉普车具有优良的越野性能而名噪一时。艾森豪威尔把吉普车列为“赢得战争的三大武器”之首。


大凡热门产品都会有这种现象。当时的吉普车并没有采用什么象样的新机构。他只是把以往已被确认为可靠的普通结构,根据使用目的非常均衡地组合起来。
由于吉普车是一种军用车辆,所以要求其结构简单、可靠。采用了当时还不多见的短时四轮驱动结构。在吉普车以外的军用车辆中,也有的采用了中间差速器锁死式的四轮驱动结构,这是一种常时四轮驱动。
战后,许多人认识到吉普车的威力,力图把吉普车的优越性能用于其他运输领域。特别在美国,这种趋势十分明显,社会广泛需求各种用途的四轮驱动汽车。这种汽车不单纯是作为越野车使用,更多的是应用于野营、运输、通勤、售物等,用途多种多样。这样,在战争中发展起来的越野四轮驱动汽车,战后分别向不同方向发展,有的向商业用车方向发展,有的则向旅游用车方向发展。
这些汽车虽然是越野车,但却有小客车的豪华设备,一般称之为休假或消闲用车,使用范围十分广泛,直至今日依然如此。

三 在方程式汽车大赛中屡遭败绩的四轮驱动汽车

按照使用条件分类,可将四轮驱动汽车分为以下两大类,即越野四轮驱动汽车和道路四轮驱动汽车。越野四轮驱动汽车是为了能在野地中行驶而开发的产品,道路四轮驱动汽车是为了能在铺装路面上高速行驶而开发的产品。
在铺装路面上,四轮驱动和二轮驱动差别也很大。例如路面被雨淋湿了,或者出现结冰的时候,由于路面摩擦系数很小,轮胎的抓地力很低,使轮胎出现打滑空转,汽车很难高速行驶。就是在普通道路上,如果汽车装用了大功率的发动机,只是两个轮胎驱动也很难发挥大功率发动机的威力。总之,驱动轮胎是两个还是四个差别十分明显。四轮驱动汽车在铺装路面上应该具有良好的高速行驶性能。
在上世纪30年代,人们做出了各种尝试,开发了搭载有大功率发动机的四轮驱动运动车和赛车。欧洲的汽车大奖赛和美国的印第安纳波利斯国际汽车大奖赛,是这些车辆表演的舞台。在这些车辆中,大多数装用了中间差速器,有的还装用了差速锁死装置。这二类汽车都是常时四轮驱动汽车。

Gulf Miller 赛车

Gulf Miller 赛车是印地安纳波利斯国际汽车大赛的参赛机车,是500级别四轮驱动汽车的改进型。该车于1938年问世,人们对其评价并不很高。
Ferguson P99 赛车是1961年开发的新型四轮驱动赛车


然而,与预期的目的相背离,本应能高速行驶的四轮驱动赛车,却没能在大赛中创造出好的成绩。
这一时期,汽车本身还是不成熟的产品,加上四轮驱动汽车是一种更复杂,更不成熟的结构,这就是失败的原因所在。为了提高四轮驱动汽车的技术水平,需要总结其失败的经验,增加开发的投入,当然也需要一定的时间。
从上世纪30年代之后,四轮驱动赛车在世界方程式大赛中长期销声匿迹。到1966年四轮驱动赛车再次出场参赛。原因是这一年赛会规则发生了重大变革,过去参赛车辆的发动机排量限制在1.5L以下,这一年提高到了3.0L。这样发动机的功率一下子提高了许多,如何将这样大的动力通过轮胎传递到路面上呢?最好的办法是采取四轮驱动,于是各参赛队争相采用四轮驱动赛车。在二轮驱动赛车上,如果汽车的驱动力过大,超过了轮胎和路面之间能产生的最大摩擦力,轮胎将出现打滑空转,反而降低了轮胎的驱动力。使用四轮驱动后,每个轮胎所承担的驱动力变小,可以提高汽车的加速性。此外,由于轮胎的驱动力变小,是汽车具有较大的转弯力储备,汽车在转向时仍可加速,高速转弯。

Lotus 63 赛车(上)和Matra MS84 赛车(下)


这两辆四轮驱动赛车参加了1967年和1968年的印地安纳波利斯国际汽车大赛。在500级别的比赛中取得了较好的成绩。

理论上是这样,但实际上并非如此。在该年度的方程式汽车大奖赛中,四轮驱动汽车并未夺冠。主要原因有两个,一个是四轮驱动传动效率低,动力损失大。另一个是四轮驱动汽车转向性不好,例如后轮驱动(RD)汽车在弯道上可以紧急加速,使汽车后驱动轮侧滑,调整汽车在转弯中的姿态,而四轮驱动则不行。诸如此类的不利因素,抵消了四轮驱动的优点。
除了上述原因之外,还有就是二轮驱动赛车采用了一种新型大轮胎,这种轮胎就像涂了胶水一样可以牢牢地粘在路面上,极大地提高了轮胎的抓地力。再加上空气动力学专家设计出来的良好的车身气动布局,大大降低了车辆所受到的空气阻力。在这一历史背景下,四轮驱动赛车永远地离开了方程式赛场世界。



四 在拉力赛中独领风骚的四轮驱动汽车

虽然四轮驱动汽车在60年代的方程式汽车大赛中失利了,但是进入80年代之后,在汽车拉力赛中却取得了很大的成功。
在方程式汽车大赛中连遭败绩的四轮驱动汽车,为什么能在拉力赛中很快被人们所青睐呢?
首先是增压发动机技术的飞跃发展,可以在规定的条件内输出更大的功率。其次是比赛场地不同,拉力赛车主要行驶在非铺装路面上,如土路、泥泞路、积雪路、结冰路,在这些路面上,二轮驱动汽车的驱动轮的抓地力远远小于大功率发动机的输出动力。
拉力赛车与方程式赛车比赛条件不一样,当其将强大的动力分配给四个驱动轮是,效果十分突出,可以弥补四轮驱动的其他弱点。直到此时,才使人们意识到,四轮驱动汽车是一种有利于高速行驶的结构形式。
在汽车拉力赛中,四轮驱动汽车一统天下的局面出现后,四轮驱动技术的竞争也就开始了。也就是在此时刻,很多新技术和新装置都试图应用于四轮驱动汽车,而有关此类汽车的新知识也大为增加。
在这一时期,常时四轮驱动汽车的一些新装置纷纷问世,例如在中间差速器差动限制式四轮驱动汽车上,使用了粘性联轴节和电控液压多片离合器,这样就能控制四轮驱动力的前后分配。所有这一切,都对以后的四轮驱动汽车的实用普及以及性能的提高起了很大作用。

奥迪 100 Quattro

奥迪 A6 4.2 quattro 在芬兰开普拉市以60英里/小时的速度爬上37.5度的滑雪跳台,显示出极强大的越野能力。 点击→视频链接

奥迪 100 Quattro 拉力赛车

奥迪 100 Quattro轿车在1980年上市,这是将四轮驱动应用于高性能轿车的典型代表。这一设想引起了人们注意。接着研制出来的Quattro 拉力赛车取得了很大成功,获得了广泛的好评。Quattro 拉力赛车的四轮驱动系有了若干改进,但基本布局与原型车无大变化。
丰田 Celica GT-FOUR RC 拉力赛车

三菱 Lancer 拉力赛车

三菱·帕杰罗 拉力赛车


五 向实用汽车的发展

与四轮驱动汽车在拉力赛中取得优异成绩的同时,轿车和轻型车等道路用车的四轮驱动化也急速普及开来。在最初的阶段,短时四轮驱动较多,不久,常时四轮驱动便占了多数。
从技术上说,四轮驱动化急速普及的原因主要有如下几点:
第一是前轮驱动(FD)汽车的普及发展,取代了以往一直占主导地位的后轮驱动(RD)汽车,其数量急速增加,而前轮驱动汽车非常容易实现四轮驱动化改造;第二是大连接角的等速联轴节实用化了,而且价格便宜,质量上乘。过去在将前轮驱动改造成四轮驱动时,这实一个十分难以解决的技术难题。第三是粘性联轴节实现了商品化,在四轮驱动上使用了粘性联轴节之后,极大地提高了车辆的操纵性。
最初,在多冰雪地区和无铺装路面地区,已出现了一些多用途的四轮驱动汽车,例如家庭轿车和轻型车。这时的四轮驱动汽车都是实用性较强的生活用车,而且以短时四轮驱动为主。当时还处于四轮驱动的早期历史阶段,这些实用四轮驱动汽车需要技术熟练的驾驶员才能操纵。由于都是过去积累的技术,可靠性较高,成本提高幅度不大。在当时,这种短时四轮驱动已经很理想了。

Subaru Leone 厢式车 1972年上市,是四轮驱动轿车的始祖


此后,人们对四轮驱动汽车的需求逐渐增多。例如在降雪较少的地区,一旦下起雪来就会造成极大的混乱。有的人为了应付这种局面,作为一种保险手段而购置了四轮驱动汽车;又如有的人想去探险旅行(实际上是否真的去另当别论),购买了四轮驱动汽车或其派生的面包车,诸如此类的现象屡屡多见。最后在城市中也出现了很多四轮驱动汽车。

六 高性能轿车(GT)的四轮驱动化

随着四轮驱动技术上的问题不断被解决,高性能轿车和运动汽车也开始四轮驱动化了,这类汽车大都装用了大功率的发动机,为了提高汽车的牵引性能,开始采用四轮驱动系,结果使市场上出现了一批高性能四轮驱动汽车。
高性能轿车使用了各种结构设计方法和控制手段,力图按照汽车行驶状况和道路条件,把驱动扭矩合理地分配给前后车轮,全面地提高了汽车地行驶性能。

日产 Skyline GTR 轿车

丰田 Celica GT-FOUR 轿车

保时捷 959 轿车


把二轮驱动汽车改造成四轮驱动汽车之后,汽车的转向性将出现若干变化。这是由于汽车的转向性与汽车的牵引力二者息息相关。例如,汽车为了获得最大加速性,其直线行驶的前后轮扭矩分配比,和转弯时的前后轮扭矩分配比不一样。如果汽车是四轮转向的话,这种差异就更大。
在较滑的冰雪路面上,汽车在急加速时容易使轮胎打滑空转。为了防止发生这种现象,许多汽车采用了牵引力控制系统(TCS)。在四轮驱动汽车上采用牵引力控制系统,就能获得性能更高的汽车。
在四轮驱动汽车上,为了最大限度地利用轮胎地抓地力,提高汽车的各项性能,现在设计人员已把四轮驱动系看成整车控制中的一环,从整车角度,综合控制四轮驱动系。




四轮驱动的固有问题

四轮驱动和二轮驱动相比,驱动轮只增加了一倍,但是在技术上的困难却不知道要大多少倍。对于四轮驱动来说,许多对二轮驱动来说根本不是问题的事情却成了大问题。除此之外,还出现了一些四轮驱动所固有的新问题。
在这些四轮驱动的问题和现象当中,特别重要的事项有如下4点:
① 急转弯制动现象
② 前后轮互相干涉
③ 动力传动效率低
④ 驱动系的震动和噪声大
下面按照上述顺序,讲解一下这4个问题产生的根源和特点。

一 急转弯制动现象

短时四轮驱动和常时四轮驱动的基本差别

短时四轮驱动和常时四轮驱动的差别很简单。在常时四轮驱动汽车上,通过驱动齿轮系(简称驱动轮系,下同)中介,发动机和4个车轮一直连在一起。与此相反,短时四轮驱动汽车利用分动器的爪式离合器,使发动机和前后轮有时连接,有时分离。
在短时四轮驱动汽车上,驾驶员必须时刻判断汽车的行驶状态,把汽车切换成二轮驱动或四轮驱动。与此相反,常时四轮驱动汽车在任何行驶状态下都无须采取类似的操作。
可以想像,如果你是汽车的设计者的话,你最先考虑的汽车,肯定是构造简单、操作方便的常时四轮驱动汽车。一定不会考虑操作麻烦的短时四轮驱动汽车。实际上也是这样, 历史上早期出现的四轮驱动样车几乎全是常时四轮驱动汽车。
但是达到实用化四轮驱动汽车为什么又是短时四轮驱动汽车呢?因为常时四轮驱动汽车的发动机和车轮是直接连接在一起的。这种连接将产生许多机械上的问题。
过了很久,常时四轮驱动技术上的问题才大体获得解决,使普通的人也能使用常时四轮驱动汽车了。

急弯道不能顺利转弯

常时四轮驱动过了很长时间才进入实用化,其最大的原因,是由于在高摩擦系数路面上常时四轮驱动汽车出现急转弯制动现象。更令人意外的是,这个问题很难解决。
我们可以设想一下,只要把发动机和4个车轮直接连接起来,就改造成了一台常时四轮驱动汽车,这样的汽车行驶时会出现什么问题呢?经验证明,在非道路的越野条件下,使用起来不会出现大问题。但是,在道路上行驶起来却是非常困难的,特别是在急转弯道路上不能顺利转弯。
我们知道,沥青铺装路面和干燥道路的路面摩擦系数较大。这种四轮驱动汽车在上述道路上急转弯的时候,会出现许多令人难以想像的现象。首先,司机会感到方向盘变得非常沉重。同时,司机虽然没有踩制动踏板,汽车的车速却急剧下降,甚至汽车被强制停车。
这一现象叫做急转弯制动现象。如果每次在急弯道转弯时,司机一打方向盘就产生上述现象,这样的汽车根本没有使用价值。

为什么不能在急弯道转弯

四轮驱动发生急转弯制动现象,道理十分简单,因为无差速器的二轮驱动汽车也不能转弯。
无论是二轮驱动还是四轮驱动,汽车在转弯时转弯半径较大的外轮的轨迹总要比转弯半径较小的内轮的轨迹要长一些。所以汽车在转弯时外轮的转速总要比内轮高一些。为了使汽车能顺利转弯,必须调整左右车轮的转速差。这样的话左右车轮就不能用一根驱动轴直接连接,而必须差速器连接2个半轴。有了差速器才可以调整左右车轮的转速差,并将相同的扭矩传递给左右车轮。
汽车在直线行驶时,4个轮胎的转速是相同的,但是在弯道上行驶时,4个轮胎的转速就各不相同了。无论是考察右侧的两个轮胎,还是左侧的两个轮胎,我们可以发现前轮的转速总比后轮高。
由于上述原因,当四轮驱动汽车转弯时,分动器将变速器输出轴的转速分配给前后传动轴的状况应该是前传动轴的转速比后传动轴高。但是,一般分动器只能将前后传动轴直接硬性的连接在一起,不能对前后传动轴输出不同的转速。
这样当然不行了,如果一开始就这样连接在一起,这种汽车根本没有使用价值。就算汽车传动系不出问题,也必然会在轮胎和路面之间产生滑动摩擦,发出咯吱个咯吱的噪声。
在这个时候,前后轮的滑动方向完全相反。即,前轮趋向于转得快一些,地面对轮胎的摩擦力将使轮胎转得慢一些;后轮本应转的慢一些,而地面对轮胎的摩擦力却使后轮胎转得快一些。越是在铺装路面上,地面对轮胎的作用力越大。汽车在转弯时地面对轮胎的这个作用力和转弯方向相反,所以是一种汽车转弯的制动力。
总之,持续打方向盘转弯,由于轮胎打滑,产生能量消耗,出现较大的转弯阻力,使汽车制动、减速。在汽车转弯半径越小时,也就是在急转弯时这一现象相当显著。

路面状态的差异

上述现象,在摩擦系数大的铺装路面(如市区道路)上表现得十分显著。在这种道路上,短时四轮驱动汽车不能长时间使用四轮驱动行驶,常时四轮驱动汽车也不可能将中间差速器锁死长时间行驶。
如果在上述状态下长时间持续行驶的话,由于急转弯制动现象,不仅司机感到驾驶十分困难,而且会给汽车造成各种不良后果,如轮胎提前磨损,汽车油耗高,并使半轴、传动轴、等速联轴节等零件损坏。
急转弯制动现象在高摩擦系数路面上会造成很大问题,但在无路或越野条件下并不会产生太大的问题。原因是在摩擦系数较低的路面上,4个轮胎可以通过打滑适当吸收各轮的转速差。这样汽车就不会出现急转弯制动现象了。
实际上,前后驱动轮直接连接在一起的四轮驱动汽车在无路条件下行驶时,能发挥出强大的越野能力。这就是吉普车出现之后四轮驱动给人们的最深刻印象。对于四轮驱动汽车来说,为了发挥四轮驱动的越野能力,汽车在无路条件下行驶时,应将短时四轮驱动汽车切换为四轮驱动模式,或锁死常时四轮驱动汽车的中间差速器。

二 前后轮的干涉

前后驱动轮系的干涉

下面,让我们再看一下前后轮直接连接的四轮驱动汽车内部驱动轮系会出现什么问题。
我们首先来看一看这类汽车在急转弯时其前后传动轴会发生什么现象。
如前所述,汽车在直线行驶时4个车轮转速相同,但在转弯时,前轮的转速必须比后轮高。
这样当前后轮直接连接起来之后,尽管前轮想要提高前传动轴的转速,但被后传动轴拉动,转速不能提高。反之,尽管后轮想要降低后传动轴的转速,但由于被前传动轴拉动,转速不能降低。
这样的话,尽管前轮想使汽车前进,后轮却在阻碍汽车前进。汽车将在前轮的推动力和后轮的阻力之差下前进。
人们设计四轮驱动汽车,就是要使前后驱动轮系互相配合,使所有的轮胎都产生驱动力。但是,上述的四轮驱动汽车却出现了前后传动轴互相拉动干涉的现象,背离了四轮驱动的初衷。

轮胎半径差异引起的干涉

四轮驱动汽车驱动轮系的内部干涉,不仅在汽车转弯时出现,而且在汽车直线行驶时也会出现,这是由于轮胎半径差异所引起的。
现实中,汽车各个车轮的半径不可能完全相同。即使汽车选装同一品牌、同一型号的4个轮胎,由于轮胎内气压不同,或者由于各轮胎的磨损程度不同,4个轮胎的半径自然会有差异。假如前轮胎的半径比后轮胎小,这时汽车即使在直线路面上行驶,其前轮的转速也必须比后轮转速高。这样尽管汽车没有转弯,但其前后驱动轮系也必然发生干涉。
这种前后车轮直接连接的常时四轮驱动汽车,不用说在转弯的时候会出现干涉,就是在直线行驶当中也会出现干涉。干涉的结果,在驱动轮系上附加了不该出现的力,这必然会引起各零件的异常磨损、增加汽车油耗,出现一系列不正常现象。

光滑路面转弯困难

急转弯制动现象发生在摩擦系数大的路面上。那么,在摩擦系数小的冰雪路面上,四轮驱动汽车转弯又会出现什么现象呢?
汽车如果在冰滑路面上转弯的话,由于路面摩擦系数过小,轮胎很容易打滑,汽车不会产生急转弯制动现象,方向盘也不会变重。但这时在打滑的轮胎上产生的地面附着力太小,不能抵消转弯离心力,所以汽车不能转弯,而是沿着弯道切线方向直冲出去。
本来,我们使用四轮驱动汽车就是为了在冰雪路面上发挥其强大的越野能力。可是上述的四轮驱动汽车一下子冲出了道路,在弯道发生事故,这将使四轮驱动的使用价值大打折扣。
这可能是一个多余的建议。有能力的朋友不妨找辆北京212吉普试试看。在遇到冰滑路面时,把驱动方式切换成四轮驱动,然后与二轮驱动时同样驾驶,你就可以充分体验上述现象。不过代价恐怕不小,绝对不是吓出一身冷汗就算了的。

对制动系统的影响

在二轮驱动时,无论是前置发动机前轮驱动(FF),还是前置发动机后轮驱动(FR),驱动轮系只布置在前桥或后桥上。四轮驱动则不同,需要在前后桥上都布置驱动轮系,而且前后驱动轮系又互相连接在一起。这些变化将对制动系产生重大影响。
为什么呢?我们知道,制动毂布置在每个车轮上。一般制动系统分为两部分,即前轮制动和后轮制动。液压制动系统控制制动油压,可以使前后轮的制动力按一定分配比例进行分配,如按80:20,或60:40分配,以便使汽车具有最佳的制动性能。
可是,四轮驱动汽车的前后驱动轮系被直接连接在一起了,前后轮制动成为一体,和产生最佳制动性能的前后轮制动力分配比无关。
所以,四轮驱动汽车和二轮驱动汽车的制动系统完全不一样,必须在更大的范围内进行深入地研究。

中间差速器的作用

四轮驱动汽车在行驶中会出现许多问题,例如急转弯制动现象,前后驱动轮系干涉现象等等。要解决上述问题,只要在前后传动轴之间加一个差速器就行了。由于差速器可以吸收前后轮的转速差,所以前后传动轴的转速可以不同。
这个差速器是常时四轮驱动所特有的装置,因为它布置在前后驱动轮系之间,所以叫做中间差速器。
这样,在常时四轮驱动汽车上就出现了3个差速器。即原来固有的前、后差速器以及这个中间差速器。
按前后轮扭矩分配比分类的话,中间差速器有两种形式,一种和前后差速器一样,分配给前后轮的扭矩大小相等。另外,是利用行星齿轮机构,将扭矩按一定比例分配给前后轮。

单轮空转使汽车抛锚

在四轮驱动汽车上布置了中间差速器,可以解决四轮驱动汽车的许多问题,但同时也给四轮驱动汽车带来了许多新问题。
人们使用四轮驱动汽车,目的之一就是在任何道路条件下都能使汽车顺利行驶,就算汽车的一个车轮或两个车轮,甚至三个车轮出现空转也没关系,只靠一个车轮也能使汽车摆脱抛锚的困境。
但因为四轮驱动汽车布置了三个差速器,即前后差速器和中间差速器,这时,只要一个车轮打滑,由于差速器的作用,其他三个车轮所产生的驱动力将大幅度下降,整车的驱动力几乎为零。当然,这种现象在全世界现存的四轮驱动汽车上都没有出现过。现在却在这种四轮驱动汽车上出现了。我们使用了中间差速器,好不容易才解决了四轮驱动汽车的一些问题,结果却前功尽弃。
那么,为什么会出现上述现象呢?
在装有中间差速器的常时四轮驱动汽车上,依靠中间差速器将发动机的扭矩均等的分配到了前后传动轴上,接着,依靠前后差速器将输入的扭矩在均等地分配到左右两个车轮上,其结果是4个轮胎获得了相等的扭矩。
汽车在行驶当中,假如前右轮遇到了冰滑路面而出现空转,则该轮胎产生的驱动力为零。前右轮胎驱动力为零,将使前左轮胎驱动力也为零,这样前轮左右轮胎的驱动力全部为零,其结果导致前传动轴的驱动扭矩为零。
前传动轴位于中间差速器的前端。中间差速器前后的输出扭矩应该相等,所以中间差速器后端输出为零,即后传动轴的驱动扭矩变为零。这样后轮左右轮胎的驱动力也变为零。
如此,4个车轮轮胎上的驱动力全部为零,使这台四轮驱动汽车不能行驶了。
汽车在日常行驶条件下,很容易出现单轮空转现象。例如一个车轮掉进坑里,或者一轮支在凸起物上,导致某一轮不着地,或在转弯时使一轮悬空等等。只要出现上述一种现象,四轮驱动汽车就不能行驶了(象拓海那招“单轮悬沟过弯”在这种车上就玩不出来)。这种汽车完全没有实用价值了。

三 动力传动效率

一般都认为四轮驱动汽车的经济性不好。但是也有人认为,把发动机的输出功率传递给2个轮胎,或是传递给4个轮胎,似乎和油耗没多大关系,而且把动力传递给4个轮胎和传递给2个轮胎相比,前者传递的力比较小,当然能量的损失也应该小,所以四轮驱动似乎应该节油。当然,这不包括前面说的那种把4个轮子直接连接起来的四轮驱动汽车,该汽车由于出现前后驱动轮系干涉应属例外。
我们知道,现在生产的四轮驱动汽车都没有前后驱动轮系干涉问题,但是耗油量都偏高,究其主要原因是在驱动轮系内部产生了能量损失。
驱动轮系包括变速器、分动器、传动轴、差速器、半轴等总成。动力在这些总成之间传递的同时,也产生能量损失。例如,变速器和差速器在工作的时候变热,就是因为机械功转换成了热能。
在变速器和差速器等总成的齿轮箱里,齿轮齿间传递力的同时也互相挤压、滑动,因为摩擦产生了能量损失。这部分能量损失,与所传递的驱动扭矩大小有关,在整个驱动轮系的能量损失中,占有较大的份额。
这些齿轮都浸在润滑油内,搅动润滑油进行润滑,搅动润滑油所做的功,当然也是引起能量损失的一个原因。
另外,为了防止润滑油从齿轮箱泄出,在许多部位使用了各类油封,油封利用橡胶的弹性紧密地贴在轴上,在轴旋转时会产生摩擦,一部分能量也白白地消耗掉了。
齿轮轴被轴承支撑着,为了使齿轮正确啮合,齿轮往往需要预加载,这样更加大了齿轮啮合的摩擦损失。
上述驱动轮系的能量损失问题,当然在二轮驱动上也存在。但因为四轮驱动的驱动轮系比较复杂,使用的零件数量也比较多,故其能量损失也比较多。这样,发动机输出的动力在传递到轮胎之前中途就被损失了一部分。综合上述各项能量损失,使四轮驱动的传动效率比较低,这导致发动机必须多输出一部分动力,使整车燃油消耗上升。

四 驱动系的振动和噪声

四轮驱动系容易引起振动和噪声,其原因很多,其中影响最大的就是联轴节所产生的振动和噪声。汽车在传动轴和半轴两端都使用了联轴节。汽车在行驶过程中,许多原因会引起联轴节的振动和噪声。四轮驱动汽车使用的联轴节数量最多,更容易引起振动和噪声。
联轴节有多种方式,最简单的是叉式联轴节,又叫万向联轴节,叉式联轴节最容易产生振动和噪声。和其他方式的联轴节比较起来,叉式联轴节结构简单,强度高,长期以来,在传动轴上经常采用这种联轴节。但是这种联轴节的缺点是不能吸收转速的变化,而且稳定的转速通过叉式联轴节之后,很容易变成不稳定的转速并产生振动和噪声。
典型的常时四轮驱动汽车,共有12个联轴节,即前后传动轴两端共4个,前桥左右两端共4个,后桥左右两端共4个,和二轮驱动汽车相比,四轮驱动汽车使用的联轴节数量多了一倍左右。所以四轮驱动汽车更容易产生振动和噪声。

间隙噪声和浮动噪声

联轴节只是引起汽车产生振动和噪声的原因之一。下列各种力也是诱发汽车振动和噪声的根源。这些力来源于发动机输出扭矩的变动,或路面不平引起悬挂系统产生振动。上述因素都将导致汽车驱动轮系产生各种噪声。
举例来说,比如零件间隙过大所引起的噪声。在驱动轮系内部,为了防止磨损和咬死,许多传动零件之间都必须留有合理的间隙,因为各种原因,这些间隙会发生变化。如果间隙变大,虽然每一处的间隙并不很大,但整个系统的间隙加起来就可能很大。变化的间隙也是汽车产生噪声的原因之一。和二轮驱动相比,四轮驱动系比较复杂,所以更容易产生这种噪声。
这种噪声的特点是当司机急速踩油门时,或急速松油门时,驱动轮系内部会产生很大的噪声。
在放松油门怠速行驶时,有时也会产生连续的异常响声,这是由于发动机输出扭矩变化所引起的敲击声,一般叫浮动噪声。
这些噪声不会使汽车出问题,也不会降低汽车的性能,但是,这类噪声极大的损害了汽车的商品性。

参考资料:庄野欣司 《4WDの研究》,株式会社ダランプリ出版
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只看该作者 32楼 发表于: 2005-11-15
内燃式燃气轮机的燃料消耗率还太高,而外燃式的结构又比较复杂。
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只看该作者 31楼 发表于: 2005-11-15
目前技术下,除非在外太空或者海底发现什么新物质,电池技术的发展不会太快

为什么不给车辆安装内燃发电机+全电驱动?...目前电机技术也不成熟...


电机和电池...算是工业技术里发展最慢的两项了...没办法,这两门都是绝对的考新材料技术...不像其他的可以靠工艺来解决一些问题...


内燃机还会用下去的,个人看好 使用酒精等替代燃料的小型燃气轮机...

:o
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mcv
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只看该作者 30楼 发表于: 2005-11-14
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使用金属氢化物储存氢,它的问题是前处理过于麻烦。氢气吸入与释放几次之后使合金丧失活性,寿命问题难以解决。而且释放氢气需要加热,这样的话就需要利用循环水或者废气的加热装置。还有,这些粉末状合金材料如果被发动机吸入汽缸,则会导致汽缸异常磨损。

所以要用纳米材料取代稀土金属啊:p
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只看该作者 29楼 发表于: 2005-11-14
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现在热门的研究方向是使用纳米材料作为储氢材料,已经有低压下储氢达自身重量7%以上的报道了,不过似乎循环寿命与释氢条件还不够理想。


使用金属氢化物储存氢,它的问题是前处理过于麻烦。氢气吸入与释放几次之后使合金丧失活性,寿命问题难以解决。而且释放氢气需要加热,这样的话就需要利用循环水或者废气的加热装置。还有,这些粉末状合金材料如果被发动机吸入汽缸,则会导致汽缸异常磨损。
mcv
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只看该作者 28楼 发表于: 2005-11-14
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如果使用氢燃料发动机,那么氢的储运是一个大问题。如果使用气态氢的话,储运设备就太笨重了,而且加满燃料后的行驶里程还比较低;如果使用液态氢的话,液氢的蒸发散逸是一个问题,另外,极低温工作条件的燃料泵也是一个设计难点。

还有,我个人认为,想让氢燃料发动机得以普及,首先要攻克决可控核聚变的技术难关。

现在热门的研究方向是使用纳米材料作为储氢材料,已经有低压下储氢达自身重量7%以上的报道了,不过似乎循环寿命与释氢条件还不够理想。
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只看该作者 27楼 发表于: 2005-11-14
虽然看好氢动力,恐怕那时候车子的很多内在就要变质了吧。
比如转子引擎这种经典……
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只看该作者 26楼 发表于: 2005-11-14
其实氢燃料发动机和氢燃料电池都有共同的问题——氢的储运和补给。另外燃料电池车的行驶里程还是太短。燃料电池的输出功率(特别是瞬时功率)相对较低。

我比较赞同混合电驱动的方法,至少目前是可行的。
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只看该作者 25楼 发表于: 2005-11-14
我个人认为,氢燃料只是BMW展示自己引擎技术的一个概念习作,因为这样的车跟传统汽车没有什么结构上的根本变化,连引擎,也只是在760上的V12改装而来。所以,作为未来的展望,在结构上更加合理高效的燃料电池车(大概不能叫“汽车”了)才是发展的方向。
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只看该作者 24楼 发表于: 2005-11-14
如果使用氢燃料发动机,那么氢的储运是一个大问题。如果使用气态氢的话,储运设备就太笨重了,而且加满燃料后的行驶里程还比较低;如果使用液态氢的话,液氢的蒸发散逸是一个问题,另外,极低温工作条件的燃料泵也是一个设计难点。

还有,我个人认为,想让氢燃料发动机得以普及,首先要攻克决可控核聚变的技术难关。
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只看该作者 23楼 发表于: 2005-11-14
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最初由 duketassadar 发布


可惜目前燃料电池的能量密度还是比较低。

另外,现在还有不少人嫌小型车“影响市容”……




认为小型车“影响市容”典型就是中国人喜欢买大车的病态心理作祟

其实我认为小型车才适合中国城市的发展




CCAV云

共产党永远很好很强大,人民永远很傻很天真,国外地区永远很黄很暴力。
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只看该作者 22楼 发表于: 2005-11-14
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最初由 Raymon 发布
个人比较看好混能或者燃料电池+in-wheel motor

特别是小型车


可惜目前燃料电池的能量密度还是比较低。

另外,现在还有不少人嫌小型车“影响市容”……
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只看该作者 21楼 发表于: 2005-11-14
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最初由 mcv 发布
到了氢能时代,汽车改成电车之后这些问题中还有多少会继续存在?

氢能和电动是两回事
虽然有氢动力燃料电池,但同样有直接以氢作为燃料的内燃机
如果是燃料电池,一般是以一个电动机推动一个车轮的方式,这样的话各车轮的转速都是电脑统一控制,4WD上的一些缺点就不会带到那上面
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只看该作者 20楼 发表于: 2005-11-14
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最初由 mcv 发布
到了氢能时代,汽车改成电车之后这些问题中还有多少会继续存在?

要控制电可就比控制“火”容易多了。电动车可以使用多个电动机,独立驱动每一个车轮,又不需要复杂、沉重的传动装置,驱动力的大小也可以随意控制,扭矩的分配也是随心所欲,真是不知道比汽车要方便多少倍。
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只看该作者 19楼 发表于: 2005-11-14
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最初由 无尽的冬季 发布
其实,还有一些硬伤值得说的,比方说一般4WD的实现形式,从变速箱侧面分出一条传动轴,导致车身左右重量分布不均匀,而且重心过高等,楼主都可以探讨一下。毕竟这些比说中央差速器和差速锁更贴近实际,它们都是已经有了解决方案,而重心和传动轴的问题,只有富士的完全水平对称四驱系统是比较好地解决这个问题。


你说的不错,不过这些问题已经是较高层次的问题了。我写这点东西不过是让不熟悉4WD的朋友对4WD有一个基本了解就可以了。如果一上来就谈这些问题,不仅我写起来非常费劲,读者看起来也一定会觉得如坠五里雾中不知所云。这些问题我们可以在随后的讨论中探讨。
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