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四轮驱动

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四驱差速器
四驱差速器
沙漠赛车用的四驱车
沙漠赛车用的四驱车

四轮驱动(英语:4WD, 4-Wheel Drive),又称四轮传动,是指汽车所输出的扭矩传递到所有四个车轮上的设计。很多人看到四轮驱动就会联想到越野车SUV,但实际上四轮驱动也被广泛应用于很多道路车辆上,以在不同的路面及天气状况下,为车辆提供更好的加速性能及可控性。

与此相对应的,大部分汽车的引擎只驱动一对车轮,另一对车轮不产生驱动力,称为二轮驱动。四轮驱动的优势在于因路面或地形原因而导致轮胎抓地力不足的情况下,拥有四轮驱动的车辆有更好的可操控性。因此,四轮驱动车很适宜越野行驶的要求,并且在雨雪或各种恶劣路面上,四轮驱动车也较常规的两轮驱动车辆更加加速性能及不会卡住(摩擦力少的路况,如雪或泥泞路面)。

四轮驱动技术最早出现在1903年,最初是在卡车上采用,后来才逐渐引入一般轿车

设计

差速器

当车辆通过弯道时,必须允许不同的车轮以不同的速度旋转,例如车辆转弯时,外侧轮和内侧轮由于所走的路径不同,其所行驶的距离也不同,所以内外侧车轮必须要能够以不同的速度进行旋转,而这个问题被称之为轮差问题,如果轮差的问题无法得到解决,那么车辆在进行转弯时就会因为轮胎旋转的不匹配而产生打滑,从而影响整个车辆的可操控性。

差速器可以使得一个输出轴以不同的速度驱动两根输出轴,可将扭矩(角向力)平均的传达到两根输出轴,同时通过差速器内的差动齿圈分配两边的角速度。无论是四轮驱动车辆还是两轮驱动车辆,都需要面对轮差问题,两轮驱动车辆可以通过在驱动轴上搭配一个差速器使得引擎输出轴以不同的速度驱动左右两边的车轮轴,以解决轮差的问题,而四轮驱动的车辆由于前后轴都具备驱动力而需要在前后轴各搭配一个差速器来解决左右轮差的问题,除此之外还需要第三个差速器来解决前后驱动轴的轴差问题。

由于差速器允许车轮以不同的速度旋转,遇到某个车轮打滑或者离地时,这个车轮由于具备较小的摩擦力而飞快的转动,引擎所输出的动力会全部消耗在打滑轮上,其他车轮就会失去动力,也就是说差速器可以解决车辆转弯时造成的轮差及轴差的问题,但是在车轮遇到打滑时,则会加剧车辆持续打滑。

限滑

前面提到差速器会导致车辆在某侧车轮打滑时,无法轻易的摆脱持续打滑的情况。两轮驱动的车辆在一侧驱动轮陷入打滑的情况下,可以通过牵引力控制系统来限制一侧车轮的空转,从而使得具备抓地力的一侧车轮得以驱动车身,从而解决车辆打滑的问题,虽然这会导致刹车片的额外消耗,或可能引擎突然的颠簸,影响处理效果,但这种解决方案也仍然延用至某些四轮驱动车辆上。

差速锁则是另外一种解决方案,这是一种可以锁定的差速器,其锁定后强制车轮以同样的速率转动,以解决车辆打滑,这种差速器通常会装配在四轮驱动车辆的前后轴之间,俗称中央差速锁

还有一种搭配限滑差速器的解决方案,这种差速器与上述的差速锁类似,所不同之处在于,其不会锁定强制车轮以同样的速率转动,而是允许不同车轮以不同的扭矩进行驱动并将速差控制在一定的范围内,这种解决方案通常还会搭配上述的中央差速锁一并使用,除了良好的解决打滑现象外,更提供更加可靠优秀的可操控性。

种类

由于四轮驱动会受到转弯和加减速的影响,四个轮胎会有不同的转速与配重,如果构造像2WD一样不但会影响性能表现,更会严重磨损轮胎,所以必须要增设些装置来改善这些问题,而且也会较耗油。因为设计的不同而演变出不同的种类,目前大致可分成五种。

分时四驱

一般均搭配两个差速器(前轴与后轴各一个),并于传动轴配置一组离合器或加力箱(功能类似,仅具离合功能的为离合器,现市售车较少使用,能锁定扭力配置的为加力箱,不过两者构造完全不同),有手动的驱动模式切换装置。在一般路况下(如柏油路)行驶时分开传动轴,只用前轮或后轮来驱动(两轮驱动模式或称2WD模式),如遇上极差路况(如泥地和雪地),则结合传动轴使四个轮胎同步驱动(四轮驱动模式或称4WD模式),利用2WD模式应付转弯造成的轮差和柏油路用4WD的耗油问题,而4WD模式下四个轮胎的动力完全固定且平均(前后轮扭力固定在50:50),采用加力箱者更可做扭力配置锁定(例如将前后轮扭力固定在25:75),这点在越野时有相当的优势,故为有越野需求的SUV运动休旅车货卡吉普车等车款的主流驱动系统,而且构造较简单,但对于无越野需求的车款就毫无益处。

全时四驱

全时四驱是能够在不论在任何路况下都以四个车轮驱动的系统,全时四驱车型需要配有三个差速器(前桥、后桥与中央),没有驱动模式的切换装置,而是在前后驱动桥之间上多配置了一组中央差速器,以避免全时四驱车辆转弯时由于前后驱动桥的转速差导致磨损轮胎的问题,装备全时四驱的车辆多为高级全尺寸越野车、豪华轿车、跑车和CUV跨界休旅车等车款上,虽然这些车多半行驶在铺装路面,但是通过全时四驱可以让四轮驱动的加速性、稳定性和循迹性完整的优势发挥出来。

独立驱动

有些四轮电动车采用双电动机设计以达至全轮驱动。两个电动机分别用来驱动前轴及后轴,因此只需要两个差速器。此外,两个电动机可以分别针对低速(高扭力)和高速行车作优化,使电动车在高、低速度下均维持较高的效率。

在部分设计中,两个电动机并不能同时以最大功率运作,因此汽车的总马力不是简单地把两个电动机的马力相加。

适时四驱

同样搭配共三个差速器(前轴、后轴与传动轴),中央差速器同时还兼具离合器或加力箱的设计,有时会外加扭力分配装置与电脑控制单元,有手动或自动的驱动模式切换装置。简单来讲,就是结合分时四驱与全时四驱两者构造的四轮驱动驱动系统,既可使用较省油的2WD模式,也可使用运动性佳的全时四驱模式,也可使用越野性佳的锁定四驱模式,在锁定四驱模式中,中央差速器会被锁住,前后轴的传动比会被锁定在50比50,使其发挥出和分时四驱一样的动力固定平均特性以应对越野的需求,采用加力箱者亦可做扭力配置锁定。例如速霸陆Impreza WRX STI上所搭载的具备DCCD功能的Symmetrical AWD就是代表。这种四驱系统因为功能多,故被现在许多运动休旅车所采用,但也有构造复杂、成本高和笨重的缺点。

智能四驱

特殊的四驱系统,差速器和离合器的数量视设计而异,但一定会有扭力分配装置与控制电脑,以及自动的驱动模式切换装置。因为设计取向不同模式切换也不一样,例如Nissan GT-R所搭载的ATTESA E-TS就是代表,一般情况下只靠后轮传动,但一旦车速感应器以及其车身内的两个g力感应器感受到车身打滑或不稳定时,就会主动驱动前轮来稳定车身,完全不受人控制,这是种为了确保动力完整输出的后驱型智能四轮驱动。

混合动力式四驱

受油电混合等混合动力车辆(Hybrid)系统下催生而来的四轮驱动系统,以油电混合为例,其设计可以是以汽油或柴油引擎驱动前轮、再以电动马达驱动后轮(或相反),借此发挥出前轮驱动、后轮驱动和四轮驱动皆可行的驱动系统,如Toyota MR-S Hybrid Concept和Volvo V60 Plug-in Hybrid就是很好的代表。

设计分类

中央差速器带机械差速锁

  • 爱快罗密欧164 Q4 (中央粘性耦合式差速锁及后桥托森式限滑差速器)
  • 爱快罗密欧155 Q4 (中央弗格森粘性耦合式差速锁及后桥托森式限滑差速器)
  • AMC Eagle (中央粘性耦合式差速锁)
  • 奥迪Quattro Coupé, 80, 90, 100, 200 (中央差速锁) - 至1987年止
  • 奥迪Q7 - (中央双小齿轮锁止离合器式差速器)
  • BMW 3系列BMW 5系列(二十世纪九十年代) - (中央粘性耦合式差速锁及后桥粘性耦合式限滑差速器)
  • 雪佛兰 Rounded-Line - (中央行星式双速差速锁及后桥伊顿式自动差速锁)
  • 福特Escort
  • 福特Expedition (1997–今) - (中央多离合片式差速锁)
  • 福特Explorer (1995–2010) - (中央多离合片式差速锁)
  • 梅赛德斯-宾士GL系列 - 4Matic (中央及后桥差速锁)
  • 悍马 (军用汽车) - (托森式前桥及后桥限滑差速器,配开放式中央差速器带中央差速锁)
  • 悍马H2, H3 - (中央差速锁)
  • 吉普大切诺基, 吉普指挥官
  • 吉普Liberty, 吉普切诺基, 道奇Durango - (开放式中央差速器带中央差速锁)
  • 荒原路华Defender
  • 荒原路华Discovery/LR3
  • 荒原路华Freelander
  • 凌志RX300 - (中央粘性耦合式差速锁)
  • 林肯Navigator (1998–今) - (中央多离合片式差速锁)
  • 梅赛德斯-宾士Unimog - (中央及后桥差速锁).
  • 梅赛德斯-宾士G系列 - (中央差速锁搭配前后桥差速锁)
  • 三菱帕杰罗
  • 保时捷卡宴 - (中央行星齿轮锁止离合器式差速器)
  • 荒原路华Range Rover (1970–1995) - (限滑差速器配手动锁或中央弗格森粘性耦合式差速锁)
  • 荒原路华Range Rover (1994–2002) - (中央弗格森粘性耦合式差速锁)
  • 铃木Grand Vitara/Escudo - (限滑差速器配手动锁)
  • 速霸陆 - (中央粘性耦合式差速锁或中央多离合片式差速锁)
  • 速霸陆Impreza WRX STI - (中央电子可调式差速锁配前桥机械式限滑差速器及后桥托森式限滑差速器)
  • 丰田陆地巡洋舰
  • 丰田Sequoia
  • 大众途锐 - (中央双小齿轮锁止离合器式差速器)

托森式中央限滑差速器

经典的机械式限滑差速器,反应速度快,在多届拉力赛中留名。

开放式中央差速器

  • BMW 3系列 and BMW X5及xDrive (2001-今) - (行星式中央差速器搭配38/62扭矩分流器)
  • 凯迪拉克Escalade, STS AWD, SRX AWD
  • 克莱斯勒300C AWD
  • 道奇Magnum, Charger AWD
  • 通用Yukon Denali, XL Denali, Sierra Denali
  • 梅赛德斯-宾士 4Matic, R系列, 及ML系列 (有些ML系列使用或可选配高端的中央及后桥差速锁)
  • 丰田汉兰达

以上车型由于搭配开放式中央差速器,所以均利用牵引力控制系统通过ABS对打滑车轮进行制动来解决打滑问题

多离合式差速器

多离合器片耦合式差速器

其他设计

  • 法拉利FF,引擎前端另设小型波箱为前轮提供动力。
  • 日产GT-R的ATTESA E-TS智能四轮驱动系统是一套后驱型智能四轮驱动系统,此套系统在大部分情况下保留后驱车的特性,中央差速器在大部分情况下将动力传送至后轮,不会像全时四轮驱动系统那样在尾速时会流失过多的动力。这样在一些容忍度较高的弯道内,日产GT-R可以令前后轮分工更明确,而一旦四个车轮的车速感应器以及其车身内的两个g力感应器得到信号并计算得出需要四轮驱动时,整套ATTESA E-TS系统就会介入然后通过传递动态控制命令给电控系统来达到控制后桥的液力差速器,使得后轮被迫减少动力,然后中央差速器再将剩馀的动力传递到前轮。

各厂商四轮驱动系统引入民用车时间表

使用年份 厂商 率先使用车型 量产 小投产
1938 GAZ GAZ-61 x (238)
1966 Jensen Jensen FF x (320 units)
1972 速霸陆 速霸陆Leone x
1980 American Motors AMC Eagle x
1980 奥迪 奥迪Quattro x
1982 雷诺汽车 雷诺18 Combi 4×4 x
1984 爱快罗密欧 Alfa 33 4×4 x
1984 三菱汽车 三菱Cordia 4WD Turbo x
1984 福斯汽车 福斯Passat Syncro x
1984 宝狮汽车 宝狮205 T16 x (200 units)
1985 BMW BMW 325iX x
1985 兰吉雅 兰吉雅Delta HF 4WD x
1985 马自达汽车 马自达323 4WD x
1985 铃木汽车 铃木Samurai x
1986 丰田汽车 丰田Celica GT-Four All-Trac Turbo x
1986 福特汽车 福特RS200 x (220 units)
1987 梅赛德斯-宾士 梅赛德斯-宾士W124 4MATIC x
1987 保时捷 保时捷959 x (292 units)
1988 欧宝 欧宝Vectra 4×4 x
1989 雪铁龙 雪铁龙BX x
1990 雪佛兰 雪佛兰Astro x
1991 兰博基尼 兰博基尼Diablo VT x
1991 布卡堤 布卡堤EB110 x (ca. 300 units)
1992 菲亚特汽车 菲亚特Tempra 4×4 x
1997 Volvo Volvo850 AWD x
2001 捷豹汽车 捷豹X-Type x
2008 绅宝 Saab 9-3 Turbo X x
2011 法拉利汽车 法拉利FF x

代表车种

  • 奥迪Quattro所使用的quattro系统,引领全球
    奥迪Quattro所使用的quattro系统,引领全球
  • 速霸陆Impreza使用的Symmetrical AWD系统在WRC留名
    速霸陆Impreza使用的Symmetrical AWD系统在WRC留名
  • 四轮驱动的吉普牧马人
    四轮驱动的吉普牧马人
  • 蓝宝坚尼Murciélago在后轮打滑的情况下会将动力分配到前轮
    蓝宝坚尼Murciélago在后轮打滑的情况下会将动力分配到前轮
  • 奔驰M级为一款全轮驱动车,全时均匀的分配动力到四个车轮并带有牵引力控制。
    奔驰M级为一款全轮驱动车,全时均匀的分配动力到四个车轮并带有牵引力控制。
  • 美军的现役越野车HMMWV采用可锁死的中央差动器实现全时四轮驱动
    美军的现役越野车HMMWV采用可锁死的中央差动器实现全时四轮驱动

参见

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四轮驱动
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