汽车四驱系统的那些事儿

路边

　　
　　

　　In order to explain the all-wheel drive system for my friend Zhibin since he always asks me the questions about the off-road vehicles，but could not fully understand and remember what I told him... I am trying best to generate this article based on the mid-end SUVs on the market. Hey Zhibin， Happly Children’s day! Wish you could enjoy it.
　　谨作此文向我的朋友Zhibin解释四驱系统的基本原理和构成，祝他儿童节快乐……。本文基于目前市售中档SUV的四驱技术，希望能够解答他和其他有类似问题朋友的疑问。
　　如今市场上价格在25万-40万区间的SUV可谓种类繁多。比如丰田兰德酷路泽最低配、丰田国产普拉多2.7L、路虎神行者2、沃尔沃XC60、奥迪Q5、大众途观、奔驰GLK、奔驰GLA、宝马X1、斯巴鲁傲虎等等。各自都标榜各自强劲的全时/适时四驱系统。但是各位在选车的时候是否了解各家的四驱系统各有什么特点，哪些特性是你真正想要的呢？今天就和大家一起来看看主流25万~40万区间的SUV四驱技术的基本原理和构成。希望能够帮助大家更好的做好买车计划。可能部分技术细节大家并不是特别关心，那么提醒大家特别关注哪些车型的中央差速器是机械方案的，哪些是电子方案的。机械方案稳定可靠但是成本较高，电子方案小巧灵活但是稳定不足，不能长时间工作。还有重点看一下哪些车型装备了后桥差速锁或限滑差速器。如果大家看到各种专业名词就有点迷惑，例如什么是差速器、差速锁，那么请慢慢往下看后面会一步步解释给各位看。
　　如果大家小时候玩过迷你四驱模型车的话，可能还记得其内部的结构就是通过带齿轮的连杆把前轴和后轴连接在一起，这样4个车轮的旋转速度就相同了。那么现在的四驱SUV为什么没有采用这样的结构呢？问题就出在转向系统上。由于迷你四驱模型车只要沿着赛道的轨道走，不用考虑转向问题，因此其4个车轮的速度可以是相同的。但是汽车在公路上行驶需要转向时，左右两侧车轮的转速是不同的。为什么呢？车辆转弯类似于进行圆周运动。根据圆周定律圆周等于2π乘上半径。比如向左转，左侧车轮靠近弯心半径小，画的圆周也小。右侧车轮原理弯心半径大，画的圆周也大。因此左右车轮间不能直接用一个传动轴进行硬链接。为了让汽车在转向的时候仍然能够前进，车上装备了一个装置叫做差速器。差速器允许在车轮转速不一样的情况下传递动力。其原理简单来说就是在左右传动轴之间加入一组相对旋转的小齿轮。当左右车轮转速相同的时候小齿轮静止，两侧车轮得到的扭矩是相同的。当左右车轮存在转速差时，小齿轮开始转动，将扭矩更多的输送到转速低的车轮侧。具体大家可以参考下图和汽车之家的汽车百科，链接如下。
　　汽车百科-差速器
　　

　　为了让车辆在转向的时候左右轮可以存在一定的轮速差，因此车辆的前轴和后轴都装备了差速器，分别为前桥差速器和后桥差速器。而装配四驱系统的车型，需要在前后轴之间分配动力，因此在中间的传动轴处增加了一个中央差速器。中央差速器和分动箱一起对车辆的前后轴动力进行分配。分动箱（Transfer Case）顾名思义就是用来分配动力的，即类似于迷你四驱模型车内部连接前后轴的齿轮结构。中央差速器和分动箱有时结合在一起集成在自动变速箱中。
　　可以说对于四驱系统的挑战全部来自于前面提到的差速器。因为差速器允许车轮间存在转速差。但是当车辆在越野路况或者冰雪路况的时候，很有可能其中某个或多个车轮失去抓地力而打滑。此时由于差速器的存在，打滑的车轮因为没有摩擦力因此快速旋转动力大量流失。而有摩擦力的一侧车轮几乎静止而得不到动力。可能这里大家会有疑问，前面不是说差速器会把更多的扭矩送到转速低的车轮吗？确实是这样，但是这个功能有个前提条件，就是车轮间的转速差不能太大。因此当打滑的时候就会出现如上提到的动力从没有摩擦力而快速旋转的一侧车轮流失掉的情况。
　　那么让我们来看看各家的四驱系统是如何来应对这个挑战的。
　　首先，最简单的方法当然是需要越野的时候通过机械的手段手动将差速器两端的转动轴硬性连接起来，锁定后转速差不复存在。这就是差速锁，或者又称牙嵌式差速锁或者分时四驱系统。比如说目前市场上销售的丰田兰德酷路泽就配备了中央差速锁按钮和后桥差速锁按钮。而国产的丰田普拉多2.7L版则配备了中央差速锁按钮。对于价格更高的专业越野车，比如奔驰G系列、吉普牧马人则如下图同时配备了前桥差速锁、中央差速锁按钮和后桥差速锁按钮。此处需要重点提醒的是，前差速锁激活以后，不能在铺装路面（公路）上进行转向。原因就是差速锁启动后不再允许左右车轮存在转向引起的转速差。否则可能发生事故或者损坏车辆。
　　

　　那么大家也看到了差速锁是最简单的方法，但是它的问题也很明显。就是其需要手动开启。更适合专业的越野路况。那么有没有办法在日常行驶中四驱模式的切换全自动完成呢？那就是后面介绍的全时/适时四驱系统。在此我们先重点介绍一下全时/适时四驱系统的中央差速器。因为它是车辆实现四驱的关键。是它在前轴和后轴间的分配动力。
　　中央差速器主要包括一下几种类型：
　　1.  开放式中央差速器
　　2.  托森扭力感应式变速器Torsen Differential
　　3.  粘性联轴节式差速器Viscous Coupling Differential
　　4.  多片离合器式差速器Multi-plate Clutch Differential
　　说了那么多专业名词不利于大家迅速理解四驱系统，回到文前所述的请大家跟着我一起来看一下中央差速器的机械派和电子派两大阵营。直接来看一下不同种类的中央差速器到底有啥优缺点。
　　首先就是机械派。所谓机械派就是中央差速器的扭力分配不需要电子控制，直接通过机械设计进行扭力按需调整。
　　基于机械方案的中央差速器的特点为：
　　1.  当扭力发生变化时即可进行调节，无需车轮转速出现明显变化
　　2.  无需电控系统，因此可以工作于沙地，涉水等恶劣环境。可靠稳定
　　3.  扭力按照路况决定，无法主动进行调节分配
　　4.  体积较大，成本较高
　　5.  拖车时如果后轮着地，前轮会跟着一起旋转，可能损坏四驱系统。
　　前面提到的四类中央差速器中，开放式差速器就是最传统的差速器不具备锁止能力，只能与差速锁配合。它既不属于机械派也不属于电子派因此按下不表。剩下的托森扭力感应式变速器和粘性联轴节式差速器都属于机械派。其中托森扭力感应式变速器又是机械派当中的主流技术。代表车型就包括丰田兰德酷路泽最低配、丰田国产普拉多2.7L和奥迪Q5都有采用。更高价位的话路虎揽胜和奥迪的S4或A6 Quattro都采用了此类型中央差速器。
　　简单介绍一下托森扭力感应式变速器的原理。如下图托森扭力感应式变速器内部的核心是链接在两个输出半轴之间的两组正齿轮(Spur Gear)和蜗杆齿轮(Worm Gear)。通过力学设计输出轴可以带动蜗杆齿轮旋转，但是蜗杆齿轮不能带动输出轴旋转。因此两个输出半轴之间通过蜗杆齿轮建立了相关性。两个输出半轴的转速不能存在很大的差别。当一侧由于打滑而转速增高时会被另一边有摩擦力的一侧锁定。更多的扭力会传送到有摩擦力的一侧（多至70%的扭力）。
　　

　　比如如下图所示奥迪 Quattro全时四驱系统的所用托森扭力感应式变速器（应用于奥迪A4 和Q5 Quattro四驱车型中）
　　

　　而托森扭力感应式变速器发展至今都有了长足的进步。丰田兰德酷路泽最低配、丰田国产普拉多2.7L所用的全时四驱系统使用的是称作Type C T3的托森扭力感应式变速器其结构如下。相比原来体积更小，效率更高。
　　

　　在更高价位的奥迪车型上，比如奥迪S4或A6 Quattro则采用了最新第六代的Quattro系统。它的核心变成了冠状齿轮（Crown Gear）结构。它的特点是可以最多将85%的扭力传递到后轴（前后轴扭力分配范围从15%/85%到70%/30%）。这相比较原来的调整范围又有所增加。
　　

　　那么另一种粘性联轴节式差速器又是怎样的一种机械方案呢？这种方案就是在多片离合器的中间加入一种粘性的硅油。这种硅油的特性是当出现大的转速差以后，硅油就会随着温度上升粘性增强直至近乎固体的状态。这种状态下打滑一侧的车轮就和有摩擦力的车轮保持同样的转速了。因此这也是一种简单而不需要电控的机械方案。其多出现在斯巴鲁系列的车型中，比如森林人全时四驱系统（部分车型）。当然粘性联轴节式差速器也不是完美的，其扭力分配需要通过转速差建立温度后改名硅油粘性实现，因此存在一定的延时。因此这个类型的差速器正在逐渐被电控多片离合器式差速器替代。比如斯巴鲁就逐渐替换成其基于中央多片离合器复合行星齿轮式差速器，即后文提到的斯巴鲁AWD系统。
　　

　　下面我们来说说电子派的代表差速器，即多片离合器式差速器。说到多片离合器式差速器恐怕不得不提一下一家供应商瑞典翰德（Haldex）。因为翰德帮助多家车企实现了其横置四缸发动机配套的四驱系统。其中常见的就是大众横置发动机搭配的4Motion系统，比如大众途观的适时四驱系统，还有就是路虎神行者2、沃尔沃XC60等等适时四驱车型。翰德基于电控的多片离合器式差速器通过电磁阀或电机对多片离合器施加压力，通过离合器将扭力输送至后轴。可以非常灵活的调整输送给后轴的扭力。这使得扭力的分配可以根据驾驶动态进行快速的调整。其具体特点包括：
　　1.  四驱状态基于电控多片离合器实现
　　2.  可以灵活切换成前驱
　　3.  对于驾驶动态的变化可以快速响应。比如快速起步
　　4.  兼容不同的轮胎，比如换上备胎行驶
　　5.  对拖车时后轮着地没有限制，不会损坏车辆
　　6.  和其他电子系统如刹车防抱死系统ABS、电子稳定系统ESP或电子差速锁EDL完全兼容。
　　7.  最多只能输送50%的扭力至后轴
　　8.  基于电子系统对恶劣环境的可靠性不如纯机械系统，比如可能出现过热故障。
　　如下为翰德多片离合器式差速器的照片和结构图
　　

　　

　　如下为基于翰德多片离合器式差速器的大众4Motion系统架构
　　

　　当然翰德并不是唯一一家可以提供多片离合器差速器的供应商。比如奔驰就有自己的一套多片离合器差速器系统称为4MATIC。它分别集成在与横置发动机配套的7速双离合变速箱7G-DCT和与纵置发动机配套的7速自动变速箱7G-Tronic中。
　　奔驰GLA 四驱车型7速双离合变速箱中的电控多片离合器差速器如下图，这套多片离合器差速器也只能最多将50%扭力输送至后轴，属于适时四驱车型。
　　

　　与上述不同的，奔驰GLK四驱车型7速自动变速箱中的电控多片离合器差速器可以将近乎100%扭力输送至前轴或者后轴。其具体结构图如下。其中一组行星齿轮组和多片离合器配合实现动力在前后轴间的分配，属于全时四驱系统。
　　

　　

　　

　　与此类似的宝马也有一套集成在其8速自动变速箱中的电控多片离合器差速器，即xDrive全时四驱系统。它也能将近乎100%扭力输送至前轴或者后轴。其结构图如下。系统中包括一个电机会调节输送到多片离合器上的压力，从而完成前后轴扭力的分配。该系统应用于宝马X1及3系xDrive车型中。
　　

　　前面提到的斯巴鲁AWD系统也是基于电控多片离合器式差速器，装配与斯巴鲁傲虎车型及森林人（部分车型）上。斯巴鲁AWD系统被称为可变扭矩分配全时四轮驱动系统（Variable torque distribution AWD），简称VTD。基于中央多片离合器复合行星齿轮系统实现。并且斯巴鲁车型还有一项独门绝技，我们稍后再表。
　　

　　

　　那么说完了中央差速器的机械派和电子派。我们来看看哪些车型配备了后桥限滑差速器Rear Limited Slip Differential （LSD）。其实市场上很多车型都没有配备后桥限滑差速器。那当前轮打滑的时候，中央差速器将动力分配给了后轮。如果后轮中的一个也出现了打滑，这时该怎么办呢？因为有一项技术叫电子差速锁Electronic Differential Lock (EDL)。其实你在车上根本找不到任何一个部件叫电子差速锁。因为它只是一个电子稳定系统ESP的一项功能而已。它的基本原理就是通过刹车限制打滑一侧车轮的转速，使得打滑侧和有摩擦力侧的车轮转速相近，然后通过普通差速器向有摩擦力侧的车轮输送扭力的过程。其前提就是需要侦测到打滑侧的车轮转速过高，然后增加制动力度。
　　这是一种成本最低，也最容易实现的方法。可以看到对车辆来说并没有增加任何实体部件，而只是对刹车系统进行了软件升级。但电子差速锁也不是十全十美的。现在开车如果忘记放手刹，有时带着一档车也能开起来。那当大油门的时候出现车轮打滑，刹车系统要将那么大的动力刹停下来本来就不容易。并且时间不能太长，否则就会出现刹车过热的状况。因此如果你对车辆的越野性能没有太高要求，那么具备电子差速锁的车型就够了。如果你希望你的车能够应对比较复杂的越野路况，那么选择一款具有后桥限滑差速器的车型就变得挺有必要了。
　　后桥限滑差速器也分为机械型和电控型。比如丰田兰德酷路泽最低配、丰田国产普拉多2.7L、路虎神行者2和斯巴鲁傲虎3.6L（2.5L车型并未配备后桥限滑差速器）就使用的是机械型后桥限滑差速器。当后轮中的一个打滑时，后桥限滑差速器中小齿轮的旋转会对转速低有摩擦力的一侧多片离合器施加压力。此时有摩擦力的一侧就得到了更多的扭力。具体结构图如下。
　　

　　然而电控型的后桥限滑差速器多用于高端车，超出了今天我们主要讨论的车型价格范围。比如宝马X6的DPC（Dynamic Performance Control动态性能控制）差速器和奥迪A6 Quattro Sport Differential运动差速器。这个类型的后桥限滑差速器不只是用于越野，更多的是服务于更好的公路操控性能。因此其引入了一个新的概念叫做扭矩矢量Torque Vector。
　　比如宝马的DPC后桥差速器左右各有一组电控多片离合器，通过电磁阀调节某一侧的液压油压即可调整多片离合器的结合程度，从而让该侧的车轮得到更多的动力。帮助车辆转向。具体结构如如下。
　　

　　

　　

　　而奥迪的 Quattro Sport Differential运动差速器也基于类似的原理对左右车轮的扭矩进行调节从而实现扭矩矢量功能，具体如下图。
　　

　　

　　相信大家也发现了此类电控后桥差速器已经和越野没有太大关系了，更加注重运动性能。并且成本很高。所以如果你只关注越野性能的话，可以先不考虑装备这种后桥变速器的车型。
　　最后和大家再来聊几句前面提到的斯巴鲁的绝技。它就称为对称四驱系统（Symmetrical System）。
　　如果大家仔细想一下前面提到的其他各家车企的话不管是横置发动机还是纵置发动机的布置都无法把差速器放到前轴的中央位置。这是由发动机的布置决定的。横置发动机长度超过了前轴的中轴线。而纵置发动机虽然布置在前轴的中轴线上，但由于长度的关系超过了前轴，需要通过变速箱的分动装置再接回前轴差速器。而此时前轴差速器只能布置在纵置发动机的边上。具体可以参考下图的横置发动机和纵置发动机布局图。
　　

　　

　　而这种前轴差速器布置上的左右长度不平衡会造成前轮打滑的时候差速器需要重新分配动力而车辆出现左右晃动的现象。斯巴鲁则完美的解决了这个问题。因为它是仅有的几家坚持使用水平对置发动机的车企（另外就是保时捷仍然有水平对置发动机技术）。水平对置发动机除了平衡性极佳以外，另一个好处就是它的长度非常短。完全可以纵置在前轴中轴线上，然后有合适的发动机长度给差速器留出空间。因此斯巴鲁的四驱系统是基于车辆中轴线左右对称的。那么就避免了前面提到了前轮打滑就出现车辆左右晃动的问题。具体车身布置和对称/非对称系统的对比可以参考下图。
　　

　　

　　如前所说选车的时候先要关注中央差速器是机械方案的还是电子方案的。机械方案稳定可靠但是成本较高，电子方案小巧灵活但是稳定不足，不能长时间工作。关于后桥限滑差速器，如果对越野要求不高，可以选择仅采用电子差速锁的车型。如果有一定越野要求，则推荐选择装备机械型后桥限滑差速器的车型。另外如果对斯巴鲁的对称式四驱系统感兴趣的话，可以重点关注一下。由于它水平对置发动机布局构建的左右对称性解决了打滑时车身左右晃动的问题。
　　希望我的这些解释可以解决Zhibin和各位对四驱系统的一些疑问，帮助你们在选车的时候按图索骥，做出最适合自己的决定。

　　

liuyingtao

分析的很好  学习了

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有图有真相