1. 汽车驱动系统原理
燃油在密闭的容器中被点燃后能量爆发并通过活塞做功出力,在通过传动机构来推动轮子的转动,让被推动的轮子在被驱动后前行或倒退,这就是最简单的汽车驱动原理。
1. 1两轮驱动的原理及特点
在两轮驱动形式中,可根据发动机在车辆的位置以及驱动轮的位置进而细分为前置后驱(FR)、前置前驱(FF)、后置后驱(RR)、和中置后驱(MR)四大类型。目前,两驱越野车和轿车最常用的是前置后驱形式。
1.1.1前置后驱(FR)
前置后驱(FR)的全称叫做前置发动机后轮驱动,是一种比较传统、历史最为悠久的驱动形式,世界上的第一辆汽车就是采用这种驱动形式。该驱动形式中,前排车轮负责转向,而后排车轮来承担整个车辆的驱动工作。在这种驱动形式中,发动机,输出的动力全部输送到后驱动桥上,驱动后轮使汽车前进。也就是说,实际的行进中是后轮“推动”前轮,带动车辆前进。
采用前置后驱驱动形式的车型,由于发动机和驱动系统分开,这样对于车辆的轴荷分配是极为有利的,容易实现50:50的这一理想轴荷分配系数,如宝马的车型一般都是采用前置后驱的驱动形式,其车型一般的轴荷分配都可以做到50:50。 和前置前驱的驱动形式相比,前置后驱有比较大的优越性。当车辆在良好的路面上启动、加速或爬坡时,驱动轮的附着压力增大,牵引性明显优于前驱形式。同时,采用前置后驱的车辆具有良好的操纵稳定性和行驶平顺性,并有利于延长轮胎的使用寿命。除此之外,前置后驱的安排使车辆的发动机、离合器和变速器等总成临近驾驶室,简化了操纵机构的布置和转向机构的结构,这样更加便于车辆的保养和维修。
前置后驱是后驱的一种,其必然有着后驱车所先天具有的不足:转向过度。这和前驱正好相反,由驱动轮变成了后轮,在高速转弯时,一旦后轮打滑失去抓地力,极容易出现我们常说的甩尾现象。对于一些赛车等追求刺激的车型而已,后驱车型更易甩尾的情况是他们所希望看到的,因为可以利用甩尾实现漂移高速过弯。而对于普通消费者而言,甩尾是非常危险的。
和前驱车型一般采用前横置发动机不同,前置后驱的车型为配合其后驱结构,其一般采用的是前置纵置发动机。正是因为前置后驱车型具有的这些特性,后驱一般很少用在中级车以下的车型和经济性车型上,而更多的用于强调操控的车型以及高档轿车上。
代表车型:斯巴鲁BRZ丰田锐志和宝马M3、M4等。
优点:在良好的路面上启动、加速或爬坡时,驱动轮的负荷增大,其牵引性能比前置前驱型优越。轴荷分配均匀,即整车的前后重量比较平衡,操控稳定性较好,有利于延长轮胎的使用寿命。发动机、离合器和变速器等总成临近驾驶舱,简化了操纵机构的布置。转向轮是从动轮,转向机构结构简单,便于维修。
缺点:由于采用传动轴装置,不仅增加车重,同时降低动力传动系的传动效率,影响了燃油经济性。纵置发动机、变速箱和传动轴等总成的布置,使驾驶室空间减小,影响乘坐舒适性,同时,后排底盘中央有突起。在雪地或易滑路面上启动加速时,后轮推动车身,易发生甩尾现象。
1.1.2前置前驱(FF)
前置前驱(FF)的全称叫做前置发动机前轮驱动,因为采用前轮驱动的车型的发动机只有前置一种,故前置前驱也被称为前轮驱动。该种驱动形式是指发动机布置在汽车前部,其动力直接传递给前轮从而带动车辆前进的驱动方式。形象地说,就是前进时前轮“拖动”后轮,带动车辆行进。
前置前驱轿车的布局一般都是将发动机横向布置,与设计紧凑的变速驱动桥相连。前驱车型的前轮既要负责驱动又要负责转向,故前驱车型的前轴比较复杂,对空间的要求也较为敏感,故前驱车型的前悬架一般都是采用占用空间较小的麦弗逊式等悬架。因为是前轮负责了转向和驱动的功能,解放了后轮,再不需要像后轮驱动那样,通过一根长长的传动轴把动力传递到后轮上,所以它的能量传递效率比后驱车高得多,间接的提高了汽车的动力性能和燃油经济性。
此外,前驱方式由于没有传动轴通过车内驾驶舱,车内后排可以不必出现地板凸起的情况,有效改善了乘员乘坐舒适性。而没有了传动轴,传动系统的重量也会减轻,由于传动系统属于运动部件,所以重量减轻直接带来的好处就是让发动机响应性更好,提速更敏捷。同时,因为发动机前置,前轴负荷较大,前轮抓地力也就相对增大,有利于车辆动力性能的发挥。
但同样是因为前轮负责了驱动和转向的功能,在转弯时,前驱车型容易导致车辆不能按照既定轨迹运动而是延转向圆周的切线方向运动,出现转向不足的现象,也就是我们常说的“推头”。此外,因为采用了前置前驱的形式,发动机、变速器、驱动和转向机构都位于汽车前部,造成前部负荷过大,轴荷分配很能做到理想的50:50的水平,一为在60:40。
此外,在汽车爬坡时,汽车重心后移,导致前轴负荷减少,抓地力下降,会出现车轮打滑,出现所谓的有劲使不上的感觉,汽车通过性会受到严重影响。这也是很多注重通过性的车型一般采用四驱或者后驱而不采用前驱的原因。而当前驱车型高速下坡时,由于前驱车型本身车身前部就比较重,下坡时重心下移,更加大了这一趋势,造成“头重尾轻”,容易造成车辆翻车。
虽然前驱车型有其弊端,但经过近百年的发展,前置前驱技术已经达到了一个顶峰,如今马路上跑的除了大客车、卡车、面包车外,90%的车都是前驱,95%的中级车以下的车型都使用前轮驱动。因为前驱车具有结构紧凑,在生产时动力总成都在一起可以整体安装、节约工时,没有长长的传动轴也不用考虑传动轴的共振问题,后轮没有驱动轴和差速器,可以安装非常廉价的扭力梁式后悬挂。所以所有的经济型轿车都是前轮驱动,这也就是前驱技术的最大优势—经济。这种布置形式目前主要在发动机排量为2.5L以下的乘用车上得到广泛应用。
代表车型:大众迈腾、丰田凯美瑞、奥迪A3、奔驰B级等。
优点:省略了传动轴装置,结构紧凑,减少重量,降低地板高度,驾驶空间更为宽敞;发动机靠近驱动轮,动力传递效率高,燃油经济性好;发动机等总成前置,增加前轴负荷,提高轿车高速行驶时的操纵稳定性和制动时的方向稳定性;简化了后悬架系统;汽车散热器布置在汽车前部,散热条件好,发动机可足够冷却。
缺点:启动、加速、或爬坡时,前轮负荷减少,导致牵引力下降;前桥既是转向桥又是驱动桥,结构工艺复杂,制造成本高、维修保养困难。前桥负荷较后轴重,并且前轮又是转向轮,故前轮工作条件恶劣,轮胎寿命短。一旦发生正面碰撞事故,因其发动机及其附件损失较大,维修费用高。
1.1.3中置后驱(MR)
中置后驱(MR)的全称是发动机中置后轮驱动,其本质上也是后驱,只是其发动机一般安装在汽车的前后轴之间。
与前置发动机不同,中置发动机的重心是落在车身中央的,首先从前后车轮承载重量来看是前后50:50的,在高速过弯时水平方向上的惯性力矩小,所以整车拥有完美的操纵性。由于其惯性力矩小,所以拥有良好的操纵性,转向非常敏锐。
中置后驱依然是后轮驱动,故其依然具有后驱车型所独有的转向过度的弊端,所以导致高速过弯时一旦后轮产生侧滑则会像FR一样发生转向过度。过于敏锐的转向会让车辆更容易侧滑和失控。
中置后驱车型由于发动机布置在车身中部,而驱动系统在后轮,相邻较近,所以动力可以直接通过齿轮传递给后轴驱动车身。但是必然占用车内的空间,故此,采用此种驱动形式的车型,内部空间一般都比较小,特别是后排空间。除了要牺牲掉后排座椅以外,还得牺牲足够的行李箱空间。
中置后驱(MR)一般有两种布局,一种是发动机布置在驾驶员前面的,譬如像宝马Z4、奔驰SLR车型。这种纵置布局的发动机设计都比较靠后,变速箱延伸到发动机舱,整个发动机的重心是落在前轴之后的。这种布局往往让人误认为是前置发动机,但其重心是在前轴之后,发动机实际为中置,所以被称之为前中置发动机。
前中置发动机后轮驱动的车由于发动机是纵向布置的,所以跟FR车一样,动力需要转一个90度的弯,而且长长的传动轴也会损耗掉一些能量。由于需要迁就50:50的重量分布,所以驾驶舱设计靠后,引擎盖设计很长。
另一种中置发动机的布局则是将发动机布置在驾驶员的后面,发动机位于后车轴与驾驶座位之间。这种布局也能实现完全的前后50:50的重量分布。像意大利跑车就喜欢采用这种设计,代表车型有法拉利F430和兰博基尼盖拉多。这种发动机布置又被称为后中置。
代表车型:法拉利458兰博基尼和迈凯伦65OS
优点:轴荷分配均匀,具有很中性的操控特性。发动机临近驱动桥,无需传动轴,从而减轻车重,具有较高的传动效率。重量集中,车身平摆方向的惯性力矩小,转弯时,转向盘操作灵敏,运动性好。
缺点:发动机占去了座舱的空间,降低了空间利用率和实用性。对发动机的隔音和绝热效果差,乘坐舒适有所降低。
1.1.4后置后驱(RR)
后置后驱(RR),顾名思义为后置发动机后轮驱动,这是一种非常罕见的传动方式。一般不在家庭用车上所使用,大多都会在高性能跑车上应用。
所谓后置发动机,就是把发动机放置在后轴之后,而并不是有些人认为的放在驾驶座后面。像法拉利F430的发动机就放置在驾驶座后面,但发动机重心是在后轴之前的,所以F430为中置后驱车型,而非后置后驱车型。后置后驱最早由保时捷的创始人费迪兰德保时捷设计,并且只有保时捷一个厂家把这种传动方式沿用至今,成为保时捷的招牌式技术。
后置后轮驱动最直接的好处就是传动系统的效率高,因为发动机离驱动轮近且省去了前置后驱车型上那根长长的传动轴。有了高效的传动系统,发动机的动力就能发挥的淋漓尽致。把发动机放置在后部,而且使用后驱动车身前进,那么前轮负载减小,车头的质量也会减小,转弯所需要的横向加速度也减小,因此,车头的转向会变的异常灵活,方向盘的响应也会非常之快。
但重心落在后面,虽然车头能轻易转向,但车尾的质量过大,很容易造成转向缓慢,后果就是前轮已经开始转向,但由于车尾过重,使他的运动状态变的缓慢,也就是说车头已经偏离直线,但车尾仍然保持原有运动状态前进。
而驾驶RR车型高速过弯的特点就是,转向非常灵敏,但转向过后会带来很大的转向过度现象。也正是有了这样的特性,使得保时捷能比其他车型拥有更灵敏的转向。正因为有这样的特性,所以,发动机动力越大,就越难驾御。因此,在普通版的保时捷车型中,只有911 cerrera系列是用的后置发动机后轮驱动,而动力更大的911 Turbo,却改用了后置发动机四轮驱动,但相对更专业的GT3,还是沿用的经典RR传动方式。
代表车型:保时捷和911奔驰Smart
fortwo
优点:结构紧凑,没有沉重的传动轴,也没有复杂的前轮转向兼驱动结构。
缺点:后轴荷较大,在操控方面会产生与FF相反死亡转向过度倾。
1.2四轮驱动
四轮系统最早诞生于1903年,早期的四驱系统结构简单,功能单一,整体显得较为笨重。而随着近百年的发展,现在的四驱系统品种繁多,体积紧凑,智能化程度更高。我们知道,四轮技术在SUV和越野车上的用途主要是为了提高通过性,让汽车能越过更大的障碍,拥有更高的脱困能力。轿车上采用四驱技术的目的则有所不同:一是提高主动安全性,让轿车遇到湿滑路面时也能安全快速通过;二是提高操控性能,即快速通过弯道的能力。跑车上采用四驱的也有所差别:一是提高操控性能,即快速通过弯道的能力;二是在起步和急加速时能够让四个车轮同时分担驱动力,以免因动力输出太强大而导致车轮空转。
所谓四轮驱动,是指汽车前后轮都有动力,可按行驶路面状态不同而将发动机输出扭矩按不同比例分布在前后所有的轮子上,以提高汽车的行驶能力。一般用4X4或4WD来表示,如果你看见一辆车上标有上述字样,那就表示该车辆拥有四轮驱动的功能。在过去,四轮驱动可是越野车独有的,近年来,一些高档轿车和豪华跑车才逐渐添置了这项配置。与大部分越野车应用的分时四驱技术不同,豪华运动轿车搭载的全时四驱技术,更注重轮胎抓地力,在提高操控性的同时带来更多驾驶乐趣。
根据动力分配情况以及驱动力控制系统的不同,四轮驱动可以简单的分为适时四驱、分时四驱和全时四驱三大类。其中,适时四驱又叫智能四驱,一般用在城市型SUV等对通过性要求不高的车型上,而分时四驱则一般用在对通过性要求极高的SUV等车型上;全时四驱则一般用于一些豪华车型以及一些注重操控的车型上。
1.2.1分时四驱(Part-time4WD)
分时四驱相当于“临时四驱”通常情况下,它只是一根车轴上有驱动力(一般都是后轴)在湿滑条件下,驾驶人通过操作杆或操作钮将一根车轴与动力系统相连,将动力平分给前轴和后轴,也就是50:50的形式分配前后轮的驱动力。这是一种驾驶者可以在两驱和四驱之间手动选择的四轮驱动系统。驾驶员根据路面情况,通过接通或断开分动器来实现车辆在两轮驱动或四轮驱动模式中间自由切换。分时四驱也是偏重通过性能的越野车或四驱SUV最常见的驱动模式。其最显著的优点是可根据实际情况来选取驱动模式,比较经济。在公路上行驶使用两轮驱动档,而当遇到雨雪路况时,选择四抡驱动,增强了车辆的附着力和操控性。
因为分时四驱是依靠操作纯机械装置:分动器实现两驱与四驱的切换,所以它的优点是结构简单,稳定性高,坚固耐用,但缺点是必须车主手动操作,有些甚至结构复杂,不止是一个步骤,同时还可能需要停车操作,这样不仅操作起来比较麻烦。而遇到恶劣路况,因为是人工操作,对驾驶员的技术有着较高的要求。
由于分时四驱没有中央差速器,前轮和后轮机械相连,前轮就不能比后轮转的快,因此这种驱动方式在铺装路面上是无法行使的,否则就可能导致传动系统无法工作甚至崩溃,即使在较湿的铺装路面上也无法行使。当前轮与后轮硬性连接时,会严重导致车辆转向不足,进而引起事故。
分时四驱的四轮驱动方式只适合在低摩擦系数路面(泥泞、雪地、冰上、沙地等)上驾驶,并且要以低速行使。当在这样的路面上行使时,车轮的滑动会自动吸收车轮之间的转速差。
分时四驱系统并不是利用调节分动器的办法来完成两驱与四驱之间的切换,而往往是断开或接通前半轴来实现驱动方式的转换。只要把前半轴断开,前轮上就无法得到驱动力,这样车辆就变成后驱方式。断开和接通前驱动半轴的力量是借助于发动机真空力,这与真空制动助力类似,只不过需要的力量要小得多,但原理都是一样的,利用发动机进气系统中的真空压力来推动前半轴断开或者接通。具体工作流程是:
驾驶人操作两驱/四驱转换开关→电磁阀启动真空助力机构→推动前半轴断开或接通→完成两驱/四驱切换。
分时四驱现在一般应用在一些纯种SUV等过分强调通过性的车辆,如Jeep牧马人、三菱帕杰罗、以及长城哈弗H5、荣威W5等。
代表车型:吉普牧马人、北汽40、长城哈佛H5、三菱帕杰罗等。
优点:最显著的就是可根据实际情况来选取驱动模式,比较经济,结构简单,稳定性高坚固耐用。在公路上行驶使用两轮驱动档,遇到雨雪路况时,选择四轮驱动,增强了车辆的附着力和操控性。
缺点:必须驾驶人手动操控,在汽车转弯时,车轮会摩擦地面,很难转弯,尤其在急转弯时更困难。遇到恶劣路况不能迅速反应,往往错过了脱困的最佳时机。
1.2.2适时四驱(Real-Time4WD)
适时四驱就是“应需”式的采用适时四驱系统,国外媒体也称其为自动四驱。适时四驱车型一般是基于前横置发动机前驱车型设计的,并且以中小排量发动机为动力系统。变速器和前差速器都整合在一起并放置在前轴上,通过取力器将动力传递向后轴。但在传递中要加装一个电控多片离合器或粘性耦合器等差速限制器。
正常行驶情况下只有一根车轴上有驱动力(一般为前轴)。当前后轮的转速差超过设定值时,电控多片离合器或粘性耦合器等差速限制器就会动作,并将驱动转矩传递到另一车轴上。一旦前轴与后轴之间的转速差小于设定值,差速限制装置就会停止工作,使车辆在回到原来两轮驱动状态。
适时四驱与分时四驱的主要区别之一是:适时四驱从两轮驱动切换到四轮驱动的过程,都是四驱系统自动完成的,而分时四驱则需要人工操作;区别之二是:适时四驱向另一根驱动轴传递的动力极小,而分时四驱在四轮驱动时可以达到固定的50:50前后转矩分配比。全球采用适时四驱技术的车型大致有两大分支:一是以采用瑞典HALDEX公司提供的四驱为代表的欧系车,如大众的途观、帕萨特R36、高尔夫R20、福特德国的KUGA等等;另一分支则是以日本JECKT公司提供的四驱为代表的日系车,像丰田的RAV4和汉兰达等等。适时四驱诞生开始,发展大致经历了三个阶段,每个阶段的构造和性能都有所区别。
早期的适时四驱是纯机械的,是通过液力耦合器来实现自动向后轮分配动力。这种四驱的核心部件就是这个液力耦合器,在这个耦合器中充满了硅油,输入轴和输出轴一端与浸没在硅油中的叶轮相连,另一端则与前后差速器相连。在正常行驶的时候,前后车轮保持相同的速度运转,液力耦合器的两个轴之间不存在转速差。当前轮出现打滑的时候,转速会超过后轮,从而导致耦合器里的两个叶轮之间出现转速差,这种转速差会导致硅油升温而粘度迅速升高,从而将动力传递给后轮。这种适时四驱的结构比较简单,不需要电控元件,但由于它需要前后车轮出现明显转速差的时候液力耦合器才能介入,因此它的响应速度比较慢,无论是在提高越野性能还是通过性能的时候,都会明显逊色于全时四驱。
随后,适时四驱开始通过电子装备来解决之前机械式带来的问题,此时中央差速装置被多片式离合器所取代,它的开与合则由ECU来掌控。前后车轮的轮速传感器会将实时的轮速反馈给ECU,一旦ECU检测到前轮的转速比后轮快,就会迅速发出指令给多片式离合器,从而向后轴传递动力。由于有了电控系统的加入,此时的适时四驱在响应速度上大幅度提高,而且在分配动力比例上,也可以做到智能化控制。另外多片离合器在完全结合时可以达到硬连接的效果,因此不仅它的传动效率要比机械式的更高,而且使得锁死差速装置成为可能。
而最新的适时四驱系统则是以第三代HALDEX四驱为代表的智能电子式适时四驱。与过去的适时四驱相比,最新的适时四驱增加了预载功能,可以通过前轮的运转情况来实现预判断,在前轮有打滑趋势之前就预先接通,理论上已经做到与全时四驱类似的效果。另外这种适时四驱还可以做到正常行驶情况下,前后轴之间的动力分配恒定在90:10。从某种意义上说,这种四驱已经可以算作是全时四驱了,许多采用这种四驱的欧洲车型,甚至已经在这种四驱的车型上标注了AWD的标志。
代表车型:马自达CX-5、福特翼虎、丰田汉兰达、别克昂科威等。
优点:方便又经济,在正常的路面,车辆一般会采用后轮驱动的方式。而一旦遇到路面不良或驱动轮打滑的情况,电脑会自动检测并立即将发动机输出扭矩分配给前排的两个车轮,自然切换到四轮驱动状态,免除驾驶人的判断和手动操控,应用更加简单。
缺点:电脑控制的四驱,反应速度与人脑相比,毕竟较慢,而且这样一来,也缺少了那种一切尽在掌握的征服感和驾驶乐趣。
1.2.3全时四驱(AWD)
全时四驱(AWD)就是“永久”四驱,这是一种永久性四轮驱动系统,前轴和后轴一直都得到驱动转矩,只不过前后转矩分配比例因车而异,而且在遇车轮出现打滑时都会重新分配前后驱动转矩。全时四驱的发动机动力一直向四个车轮传递。其具体传递路线是:发动机动力先通过变速器,再经过分动器后一分为二,一根传动轴将动力传向两个后轮,一根传动轴将动力传向两个前轮,但分配给前轮和后轮的转矩并不一定是按50:50,而是根据车型不同有所不同。更为普遍的是,传向前轮和后轮的转矩分配比会随着行驶的要求变化而变化,以便将更大的转矩分配给最需要的车轮。
全时驱动系统具有良好的驾驶操控性和行驶循迹性,有了全时四驱系统,就可以在铺装路面上顺利驾驶。但其缺点也很明显,那就是比较废油,经济性不够好。而且车辆没有任何装置来控制轮胎转速的差异,一旦一个轮胎离开地面,往往会使你停滞在那里,不能前进。
全时全轮驱动车辆会比两驱车型(2WD)拥有更优异与安全驾驶基础,尤其是碰到极限路况或是激烈驾驶时。理论上,AWD会比2WD拥有更好的牵引力,车子的行驶是依据它持续平稳的牵引力,而牵引力的稳定性主要由车子的驱动方法来决定,将发动机动力输出经传动系统分配到四个轮胎与分配到两个轮胎上做比较,其结果是AWD的可控性、通过性以及稳定性均会得到提升,即无论车辆行驶在何种天气以及何种路面(湿地、崎岖山路、弯路上)时;驾驶员都能够更好的控制每一个行迹动作,从而保证驾驶员和乘客的安全。
而在正常驾驶时,全时全驱的转向风格也很有特点,最明显的就是它会比两驱车型转向更加中性,通常它可以更好的避免前驱车的转向不足和后驱车的转向过度,这也是驾驶安全性以及稳定性的特点之一。
也正因为AWD的存在,为汽车提供了"主动安全、主动驾驶"的机会。目前应有这种技术的厂家已经有不少,这其中包含我们熟悉的奥迪Quattro、大众4motion、奔驰4MATIC、讴歌SH-AWD等等……
代表车型:斯巴鲁傲虎、三菱蓝瑟、大众辉腾、奥迪Q5等。
优点:能使车轮抓地更牢、在高速转向时更加自如,更容易操控,可同时增加车辆的安全性能和运动性能。使车辆具有灵活的操控性,达到安全稳定,即无论行驶在何种天气以及何种路面(湿地、崎岖山路、弯路);驾驶员都能轻松的控制每一个动作,从而保证驾驶员的安全。也正因为AWD的存在,为汽车提供了“主动安全、主动驾驶”的机会。
缺点:它是靠侦测到某个轮胎打滑后,才开始把动力输送到不打滑的轮胎,这样反应就会慢些。但重要的是这些粘合或电子的差速器,是无法完全像机械差速锁那样把动力50:50锁死。正因如此,全时四驱不能和分时四驱那样爬山涉水。
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