四驱车
前后差速联动四轮驱动的汽车
四驱车(Four-wheel drive),是前后差速联动四轮驱动的汽车。发动机动力传至四个轮胎,所以四轮都可发力。可按行驶路面状态不同而将发动机输出转矩按不同比例分布在前后所有轮子上,以提高汽车的行驶能力。
1907年,奔驰汽车公司接到了一个特殊的订单,客户需要他们制造一辆能够应付各种恶劣路况的汽车。后由公司创始人戈特利布·戴姆勒的儿子——保罗·戴姆勒在反复的研究和试验后,打造出了世界上第一辆四驱汽车—Dernburg Wagen。
四轮驱动一般用4X4或4WD来表示,四轮驱动是越野车独有的驱动方式,四驱开始在一些中高档轿车和豪华跑车上逐渐普及。与大部分越野车应用的分时四驱技术不同,豪华运动轨桥车搭载的全时四驱技术,更注重轮胎抓地力,提高操控性。根据动力分配情况以及驱动力控制系统的不同,四轮驱动可以简单地分为适时四驱(Real-Time)、分时四驱(Part-Time 4WD)和全时四驱(All Wheel Drive,AWD)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。
历史沿革
1907年,奔驰汽车公司接到了一个特殊的订单,客户需要他们制造一辆能够应付各种恶劣路况的汽车。这个极富挑战的任务,由公司创始人戈特利布·戴姆勒的儿子——保罗·戴姆勒负责完成。凭借之前在四轮驱动军用牵引车及装甲车方面的经验,保罗·戴姆勒在反复的研究和试验后,打造出了世界上第一辆四驱汽车—Dernburg Wagen采用了6座旅行车的车身设计,车长4.9米,宽1.42米,包括顶蓬高度超过2.7米,载重量约为3.6吨左右。它装配了全时四轮驱动以及四轮转向系统,以此提高操控性和通过能力。Dernburg Wagen的爬坡能力比其它汽车增加了25%,公路行驶速度可达40公里/小时。 同时,特别针对热带地区设计的冷却系统和装配在所有动力传输部件上的细粒流沙防护罩,都使Dernburg Wagen可以适应更恶劣的气候和地形。
Dernburg Wagen的问世具有划时代的意义,采用的四驱技术大大增强了汽车的路面适应性,使得汽车的应用范围变得更加广泛。自此,四驱技术开始为众多的汽车厂商所关注,并投身于对该项技术的研发和应用中。紧接着,军用越野车的开发奠定了奔驰在四驱技术上的领先地位。1926年,刚刚合并成立的戴姆勒-奔驰制造出了高牵引力的三桥G1(W 103系列)。随后在1928年和1929年,G3和G3a又接连问世。尽管还缺乏真正的四轮驱动性能,但是这几款轿车均是通过两个后桥来提供驱动力,因此成为了非常理想的越野车。1933年,更加强劲的全地形汽车G4(W 31系列)也基本上采用了同样的设计。在1938年的伦敦车展上,梅赛德斯-奔驰更推出了同样具有划时代意义的G5(W 152系列)。在1979年,梅赛德斯-奔驰复兴了经典的G系列四驱越野车,可靠的分时四驱技术使G系列越野车能够轻松通过复杂、艰难的越野地形。
最早的四驱系统只是为了能让四个车轮一起转动,从而带来更强大的牵引能力,没有考虑到车辆在转弯时车轮的不同速度,最常见的就是前后桥刚性连接的恒时四驱,为了解决速差的问题,采用了被视为高科技四轮转向系统,只不过后轮的转向与前轮相反,这样就可以使不同侧的前后轮在转弯时保持在同一圆弧上,基本避免了速差。柄控制两驱和四驱的切换,挂上四驱时,前后轴以50:50平均分配动力,这就是半时四驱系统。因为这种结构在分动器内没有中央差速器,而无法把前后轴的转速调整一致。这种四驱系统带来了先天的不足,就是在摩擦力很强的硬路面上无法使用,不然,差速器、传动轴、分动器都会损坏。最开始采用纯机械结构,但不能做到0-100%动力分配,即使出现了电子控制的LSD限滑差速器,也很难达到极限驱动状态。而100%锁止的Airlock则是所有LSD中最好的一组,它是唯一可完全锁止差速器的装置,是通过压缩空气来推动的。
第二次世界大战以后,随着四驱技术的发展,全时四驱系统开始得到广泛应用,它除了前后两个差速器外,在前后轴之间还有中央差速器,这就合理地解决了半时四驱固有的问题。中央差速器的动力分如今很多城市SUV也标榜自己的四驱技术,平时是以前驱为主,当前轮打滑时,传感器的信号传递到中央差速器,使动力部分转移到后轮,但这种所谓智能四驱技术效率比较低,很难满足越野车苛刻的使用要求。
分类
四轮驱动一般用4X4或4WD来表示,现今四驱开始在一些中高档轿车和豪华跑车上逐渐普及。与大部分越野车应用的分时四驱技术不同,豪华运动轨桥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,四轮驱动可以简单地分为适时四驱(Real-Time)、分时四驱(Part-Time4WD)和全时四驱(All Wheel Drive,AWD)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。
分时四驱(Part-Time 4WD)
分时四驱(Part-Time4WD)是一种驾驶员可以在两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,而当遇到雨雪路况时,选择四轮驱动,增强了车辆的附着力和操控性。因为分时四驱是依靠操作纯机械装置--分动器来实现两驱与四驱的切换,所以它的优点是结构简单,稳定高,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,而且遇到恶劣路况,因为是人工操作,对驾驶员的技术有着较高的要求。
分时四驱由于分动器内没有中央差速器,所以分时四轮驱动的为车不能在硬地面上使用四驱,特别是在弯道上不能顺利转弯。这是因为分时四驱在分动器内没有中央差速器,而无法把前后轴的转速调整所致。汽车转向时,前轮转弯半径比同侧的后轮要大,转速比后轮快,以致四个车轮走的路线完全不一样,因此分时四驱只可以在车轮打滑时才挂上四驱,一回到摩擦力大的铺装路面应马上改回两驱。故分时四驱在正常行使状况下采用的是两轮驱动,而只有当需需要通过恶劣路面时,驾驶员可以通过分动杆把两轮驱动切换成四轮驱动,让四个车轮都提供驱动力,此时才是四轮驱动状态。分时四驱现在一般应用在一些纯种SUV等强调通过性的车辆上,如克莱斯勒牧马人、三菱帕杰罗以及长城哈弗H6、荣威W5等。
适时四驱(Real-Time)
适时四驱(Real-Time),顾名思义,就是指只有在适当的时候才会采用四轮驱动,而在其他情况下仍然是两轮驱动的驱动系统。这个名称是有别于需要手动切换两驱和四驱的分时四驱以及所有工况下都是四轮驱动的全时四驱而来的。适时四驱也叫智能四驱,和分时四驱系统相似,适时四驱在正常情况下也是两轮驱动。适时四驱和分时四驱的最大区别在于其两驱和四驱的切换是自动进行的,而分时四驱是由人工通过机械装置来切换的。此外,适时四驱系统带有中央差速器,可以在任何状况下行驶,这也和分时四驱有着明显的不同。采用适时驱动系统的车辆可以通过电脑来控制选择适合当下情况的驱动模式。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转矩分配给前排的两个车轮,自然切换到四轮驱动状态,免除了驾驶员的判断和手动操作,应用更加简单。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,如大众的大众途观、帕萨特R36、高尔夫R20福特德国的KUCA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,像丰田汽车丰田RAV4汉兰达等。
适时四驱从诞生开始,大致经历了三个发展阶段,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黏度迅速升高,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,但由于它需要当前后车轮出现明显转速差的时候液力耦合器才能介入,因此其响应速度比较慢,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,它的开与合则由电子控制单(ElectryonicControl Unit,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,从而向后轴传递力。由于有了电控系统的加人,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,因此不仅使传动效率比机械式更高,而且使得锁死差速装置成为可能。而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,甚至已经在其车型上标注了AWD的标志。
全时四驱(AWD)
全时四驱(AWD)又叫恒时四驱系统,顾名思义,其四个车轮一直有都是驱动轮,汽车在行驶的任何时间,所有轮子均独立。因为前后车轮永远维持四轮驱动模式,故这种传动系统不需要驾驶员选择操作。装备全时四驱系统的车型在正常行驶时将发动机输出转矩按一定比例分配到前后轮上,永远保持四驱状态。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。
此外,与分时四驱相比,其通过性相对较差,只是比适时四驱系统好。全时全轮驱动车辆会比两驱车型(2WD)拥有更优异与安全的驾驶基础,尤其是碰到极限路况或是激烈驾驶时。理论上,AWD会比2WD拥有了更好的牵引力,因为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及何种路面(湿地、崎岖山路、弯路上)时,驾驶员都能够更好地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,全时四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,通常它可以更好地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,才为汽车提供了"主动安全、主动驾驶"的机会。应用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。
四驱系统关键部件
汽车的驱动方式对于一款汽车来说是极为重要的,特别是对于一些强调通过性的越野车型而言更为重要。对于汽车的驱动系统来说,除了发动机的动力要强劲外,一些关键部件也对汽车的行驶性能产生重要影响。这些关键部件主要是分动箱差速器等。
分动箱
所谓分动箱,顾名思义就是将发动机的动力进行分配的装置,其可以将动力输出到一根车桥或者两根车轴,在部分重型越野车或者军用车辆上,甚至可以将动力输出给三根或者更多的车轴。带有分动箱的汽车,动力都是先由传动轴传递到分动箱,再由分动箱来分别传递到前轴和后轴,并且可以在后驱和四驱之间切换,多使用在硬派越野车上。分动箱的内部构造类似于汽车变速器,可以看成是只有两两个速比四个档位的手动变速器,是通过两组齿轮实现分离和连接的,它的结构和原理类似于变速器的一轴和二轴。分动箱和变速器一样也有其自己的换挡机构,也就是我们常见的两驱(2H)、四驱(4H)、空档(N)和低速四驱(4L)等几个档位。切换时,扳动分动箱的档把,通过拨叉将动力与传动轴接通和断开,实现在两驱、四驱(4H)以及低速四驱(4L)之间的切换。因为其没有同步器,在切换过程中,为保护齿轮也为了更易于换档,增加了空档(N)。其中,只有四驱(4H)和低速四驱(4L)时有着不同的速比,在低速四驱(4L)模式下,其速比更大,起到降速增矩的作用,从而提高汽车的通过能力。
差速器和差速锁
当汽车在直线行驶时,汽车的四个车轮的转速完全相同,左右车轮的转速差为零。而当汽车转弯时,由于汽车有一定的宽度,左右车轮的转弯半径必然不同,内侧车轮的转弯半径小于外侧车轮,这样就导致左右车轮存在一定的转速差。早期汽车的左右车轮一般采用的都是刚性连接,这样必然会导致转速较慢的车轮被转速较快的车轮拖着走的情况出现,这就加速了转速较慢的车轮轮胎的磨损,减小了轮胎寿命。为解决这个问题,可以实现左右车轮差速行驶的差速装置--差速器应运而生。差速器顾名思义,就是可以实现差速的装置,其作用就是是在向两边半轴传递动力的同时,允许两边半轴以不同的转速旋转,满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶,减少轮胎与地面的摩擦。普通差速器主要由行星齿轮、行星轮架(差速器壳)、半轴齿轮等零件组成。发动机的动力经传动轴进入差速器,直接驱动行星轮架(差速器壳),再日由行星轮带动左、右两条半轴,分别驱动左、右车轮。当汽车直行时,左右半轴的转速相同,而在汽车转弯时,行星齿轮机构可以将内侧轮转速减小,外侧轮转速增加,避免轮胎过快磨损。
四驱车型
奔驰GL系列
2006年1月,奔驰GL级系列在北美国际车展上首度全球亮相。得益于坚固异常的轻量化结构,新款GL级拥有着竞争对手无法比拟的行驶平顺性、动态性和安全性优势。而作为标准配备的4MATIC全时四轮驱动系统,能够为GL级在各种条件下提供最佳的动态操控性。
Jeep牧马人RUBICON
代表了最高级越野水准,高达4.11:1的越野低速挡以及前、后桥的机械式差速锁,保证了它的极限越野能力甚至可与梅赛德斯-奔驰G级并驾齐驱。但其劣势同样明显:纯粹手动操纵的可接通式四驱系统虽保证了强大的可靠性,但由于缺少自动化限滑辅助设备,导致这套驱动系统对于混合路况以及铺装路面的行驶毫无优势可言。正是这两条软肋抵消了它在极限通过性能上的优势,所以虽然特点鲜明,但综合性能并不值得称道。当然,这款车的追求者们显然可以对这两项指标熟视无睹,因为纯正的越野血统才是它真正的精髓所在(图10-30)。驱动系统与它类似的车型还有日产途乐和丰田陆地巡洋舰7系。只是前者缺少了一个前差速锁,极限通过性能会打一些折扣。
奥迪Q7
奥迪QUATTRO最核心的装置就是中央扭矩感应自锁式差速器,它可以根据行驶状态使动力输出在前、后桥间以25:75~75:25连续变化,而且反应十分迅速,几乎不存在滞后:再加上有电子稳定程序的支持,更进一步提高了动力分配的主动性。由于是从赛车场延伸至民用领域的产物,所以这套系统在铺装路面的性能可以得到满分,同时由于自动化程度很高,而且扭矩感应自锁式差速器的反应迅捷,在混合路况的表现也能得到满分。但如果真正进行极限越野,它就会明显地暴露出劣势所在:没有可以预先100%锁止的限滑装置,扭矩感应自锁式差速器和制动干预系统的极限辅助能力实在有限,而且缺乏可以将扭矩成倍放大的越野低速挡。当然奥迪的工程师们说,奥迪Q7本来就是一款并不注重越野性能的新型SUV,所以它的定位以及消费群体或许就说明了越野双对于它来说纯粹是"附属产品"。
丰田陆地巡洋舰100和雷克萨斯LX470
虽然属于同一车型系列,但丰田陆地巡洋舰100的四驱系统也分为很多种,以下就以其顶级版本为例:全时四驱、中央机械式差速锁、越野低速挡利制动干预系统(整合了牵引力控制系统的车辆稳定控制系统VSC)。陆地巡洋舰总是给人以吃苦耐劳的印象,但实际上,那些真正扮演吃苦耐劳角色的陆地巡洋舰,所配备的四驱系统是一套与Jeep牧马人 RUBICON类似的可接通式四轮驱动。其实与路虎揽胜相比,它的本质性变化就是把中央扭矩感应自锁式差速器换成了常规差速器,并装有机械式差速锁。这一差别带来的实际功效就是,由于动力分配的自动连贯性降低,所以陆地巡洋舰100的铺装路面性能以及混合路况性能要比揽胜稍逊,但却换来了更强的极限通过性能以及可靠性。总体而言,这是有利于车型定位的装配。而且如果装有前、后桥差速锁,它的极限通过性能还会得到进一步提升。
沃尔沃XC90和宝马X3
液压多摩擦片式可接通四驱、制动干预系统(整合了牵引力克制系统的动态稳定程序DSC),作为城市SUV的定位,它们拥有几乎相同的四驱系统沃尔沃的HELDEX和宝马的X-DRIVE。这套系统的工作方式就是,在前桥发生打滑的一瞬间,多摩擦片系统锁止,将动力传递至后桥,并以制动干预系统辅助。所以这套系统由于自动化程度很高,在混合路况的表现比较出色,能够提供更强的主动安全生,但对于越野行驶来说,显然连贯性不足,而且简单的系统也无法提供足够的可靠性。
相关事件
2024年2月2日,河南南阳市一位送娃途中的大哥驾车顺手拉出雪地被困的两辆载客公交,同时表示自己的车是全时四驱,所以有自信能做到。
参考资料
奔驰:四驱技术的先驱.新浪汽车.2024-02-04
扬子晚报.抖音短视频.2024-02-03
目录
概述
历史沿革
分类
分时四驱(Part-Time 4WD)
适时四驱(Real-Time)
全时四驱(AWD)
四驱系统关键部件
分动箱
差速器和差速锁
四驱车型
奔驰GL系列
Jeep牧马人RUBICON
奥迪Q7
丰田陆地巡洋舰100和雷克萨斯LX470
沃尔沃XC90和宝马X3
相关事件
参考资料