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[導讀]謹作此文向我的朋友Zhibin解釋四驅系統(tǒng)的基本原理和構成，祝他兒童節(jié)快樂。本文基于目前市售中檔SUV的四驅技術，希望能夠解答他和其他有
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. 謹作此文向我的朋友Zhibin解釋四驅系統(tǒng)的基本原理和構成，祝他兒童節(jié)快樂……。本文基于目前市售中檔SUV的四驅技術，希望能夠解答他和其他有類似問題朋友的疑問。 如今市場上價格在25萬-40萬區(qū)間的SUV可謂種類繁多。比如豐田蘭德酷路澤最低配、豐田國產普拉多2.7L、路虎神行者2、沃爾沃XC60、奧迪Q5、大眾途觀、奔馳GLK、奔馳GLA、寶馬X1、斯巴魯傲虎等等。各自都標榜各自強勁的全時/適時四驅系統(tǒng)。但是各位在選車的時候是否了解各家的四驅系統(tǒng)各有什么特點，哪些特性是你真正想要的呢？今天就和大家一起來看看主流25萬~40萬區(qū)間的SUV四驅技術的基本原理和構成。希望能夠幫助大家更好的做好買車計劃。可能部分技術細節(jié)大家并不是特別關心，那么提醒大家特別關注哪些車型的中央差速器是機械方案的，哪些是電子方案的。機械方案穩(wěn)定可靠但是成本較高，電子方案小巧靈活但是穩(wěn)定不足，不能長時間工作。還有重點看一下哪些車型裝備了后橋差速鎖或限滑差速器。如果大家看到各種專業(yè)名詞就有點迷惑，例如什么是差速器、差速鎖，那么請慢慢往下看后面會一步步解釋給各位看。 如果大家小時候玩過迷你四驅模型車的話，可能還記得其內部的結構就是通過帶齒輪的連桿把前軸和后軸連接在一起，這樣4個車輪的旋轉速度就相同了。那么現(xiàn)在的四驅SUV為什么沒有采用這樣的結構呢？問題就出在轉向系統(tǒng)上。由于迷你四驅模型車只要沿著賽道的軌道走，不用考慮轉向問題，因此其4個車輪的速度可以是相同的。但是汽車在公路上行駛需要轉向時，左右兩側車輪的轉速是不同的。為什么呢？車輛轉彎類似于進行圓周運動。根據(jù)圓周定律圓周等于2π乘上半徑。比如向左轉，左側車輪靠近彎心半徑小，畫的圓周也小。右側車輪原理彎心半徑大，畫的圓周也大。因此左右車輪間不能直接用一個傳動軸進行硬鏈接。為了讓汽車在轉向的時候仍然能夠前進，車上裝備了一個裝置叫做差速器。差速器允許在車輪轉速不一樣的情況下傳遞動力。其原理簡單來說就是在左右傳動軸之間加入一組相對旋轉的小齒輪。當左右車輪轉速相同的時候小齒輪靜止，兩側車輪得到的扭矩是相同的。當左右車輪存在轉速差時，小齒輪開始轉動，將扭矩更多的輸送到轉速低的車輪側。具體大家可以參考下圖和汽車之家的汽車百科，鏈接如下。
為了讓車輛在轉向的時候左右輪可以存在一定的輪速差，因此車輛的前軸和后軸都裝備了差速器，分別為前橋差速器和后橋差速器。而裝配四驅系統(tǒng)的車型，需要在前后軸之間分配動力，因此在中間的傳動軸處增加了一個中央差速器。中央差速器和分動箱一起對車輛的前后軸動力進行分配。分動箱（Transfer Case）顧名思義就是用來分配動力的，即類似于迷你四驅模型車內部連接前后軸的齒輪結構。中央差速器和分動箱有時結合在一起集成在自動變速箱中。 可以說對于四驅系統(tǒng)的挑戰(zhàn)全部來自于前面提到的差速器。因為差速器允許車輪間存在轉速差。但是當車輛在越野路況或者冰雪路況的時候，很有可能其中某個或多個車輪失去抓地力而打滑。此時由于差速器的存在，打滑的車輪因為沒有摩擦力因此快速旋轉動力大量流失。而有摩擦力的一側車輪幾乎靜止而得不到動力。可能這里大家會有疑問，前面不是說差速器會把更多的扭矩送到轉速低的車輪嗎？確實是這樣，但是這個功能有個前提條件，就是車輪間的轉速差不能太大。因此當打滑的時候就會出現(xiàn)如上提到的動力從沒有摩擦力而快速旋轉的一側車輪流失掉的情況。 那么讓我們來看看各家的四驅系統(tǒng)是如何來應對這個挑戰(zhàn)的。 首先，最簡單的方法當然是需要越野的時候通過機械的手段手動將差速器兩端的轉動軸硬性連接起來，鎖定后轉速差不復存在。這就是差速鎖，或者又稱牙嵌式差速鎖或者分時四驅系統(tǒng)。比如說目前市場上銷售的豐田蘭德酷路澤就配備了中央差速鎖按鈕和后橋差速鎖按鈕。而國產的豐田普拉多2.7L版則配備了中央差速鎖按鈕。對于價格更高的專業(yè)越野車，比如奔馳G系列、吉普牧馬人則如下圖同時配備了前橋差速鎖、中央差速鎖按鈕和后橋差速鎖按鈕。此處需要重點提醒的是，前差速鎖激活以后，不能在鋪裝路面（公路）上進行轉向。原因就是差速鎖啟動后不再允許左右車輪存在轉向引起的轉速差。否則可能發(fā)生事故或者損壞車輛。
那么大家也看到了差速鎖是最簡單的方法，但是它的問題也很明顯。就是其需要手動開啟。更適合專業(yè)的越野路況。那么有沒有辦法在日常行駛中四驅模式的切換全自動完成呢？那就是后面介紹的全時/適時四驅系統(tǒng)。在此我們先重點介紹一下全時/適時四驅系統(tǒng)的中央差速器。因為它是車輛實現(xiàn)四驅的關鍵。是它在前軸和后軸間的分配動力。 中央差速器主要包括一下幾種類型： 1. 開放式中央差速器 2. 托森扭力感應式變速器Torsen Differential 3. 粘性聯(lián)軸節(jié)式差速器Viscous Coupling Differential 4. 多片離合器式差速器Multi-plate Clutch Differential 說了那么多專業(yè)名詞不利于大家迅速理解四驅系統(tǒng)，回到文前所述的請大家跟著我一起來看一下中央差速器的機械派和電子派兩大陣營。直接來看一下不同種類的中央差速器到底有啥優(yōu)缺點。 首先就是機械派。所謂機械派就是中央差速器的扭力分配不需要電子控制，直接通過機械設計進行扭力按需調整。 基于機械方案的中央差速器的特點為： 1. 當扭力發(fā)生變化時即可進行調節(jié)，無需車輪轉速出現(xiàn)明顯變化 2. 無需電控系統(tǒng)，因此可以工作于沙地，涉水等惡劣環(huán)境?？煽糠€(wěn)定 3. 扭力按照路況決定，無法主動進行調節(jié)分配 4. 體積較大，成本較高 5. 拖車時如果后輪著地，前輪會跟著一起旋轉，可能損壞四驅系統(tǒng)。 前面提到的四類中央差速器中，開放式差速器就是最傳統(tǒng)的差速器不具備鎖止能力，只能與差速鎖配合。它既不屬于機械派也不屬于電子派因此按下不表。剩下的托森扭力感應式變速器和粘性聯(lián)軸節(jié)式差速器都屬于機械派。其中托森扭力感應式變速器又是機械派當中的主流技術。代表車型就包括豐田蘭德酷路澤最低配、豐田國產普拉多2.7L和奧迪Q5都有采用。更高價位的話路虎攬勝和奧迪的S4或A6 Quattro都采用了此類型中央差速器。 簡單介紹一下托森扭力感應式變速器的原理。如下圖托森扭力感應式變速器內部的核心是鏈接在兩個輸出半軸之間的兩組正齒輪(Spur Gear)和蝸桿齒輪(Worm Gear)。通過力學設計輸出軸可以帶動蝸桿齒輪旋轉，但是蝸桿齒輪不能帶動輸出軸旋轉。因此兩個輸出半軸之間通過蝸桿齒輪建立了相關性。兩個輸出半軸的轉速不能存在很大的差別。當一側由于打滑而轉速增高時會被另一邊有摩擦力的一側鎖定。更多的扭力會傳送到有摩擦力的一側（多至70%的扭力）。
比如如下圖所示奧迪 Quattro全時四驅系統(tǒng)的所用托森扭力感應式變速器（應用于奧迪A4 和Q5 Quattro四驅車型中）
而托森扭力感應式變速器發(fā)展至今都有了長足的進步。豐田蘭德酷路澤最低配、豐田國產普拉多2.7L所用的全時四驅系統(tǒng)使用的是稱作Type C T3的托森扭力感應式變速器其結構如下。相比原來體積更小，效率更高。
在更高價位的奧迪車型上，比如奧迪S4或A6 Quattro則采用了最新第六代的Quattro系統(tǒng)。它的核心變成了冠狀齒輪（Crown Gear）結構。它的特點是可以最多將85%的扭力傳遞到后軸（前后軸扭力分配范圍從15%/85%到70%/30%）。這相比較原來的調整范圍又有所增加。
那么另一種粘性聯(lián)軸節(jié)式差速器又是怎樣的一種機械方案呢？這種方案就是在多片離合器的中間加入一種粘性的硅油。這種硅油的特性是當出現(xiàn)大的轉速差以后，硅油就會隨著溫度上升粘性增強直至近乎固體的狀態(tài)。這種狀態(tài)下打滑一側的車輪就和有摩擦力的車輪保持同樣的轉速了。因此這也是一種簡單而不需要電控的機械方案。其多出現(xiàn)在斯巴魯系列的車型中，比如森林人全時四驅系統(tǒng)（部分車型）。當然粘性聯(lián)軸節(jié)式差速器也不是完美的，其扭力分配需要通過轉速差建立溫度后改名硅油粘性實現(xiàn)，因此存在一定的延時。因此這個類型的差速器正在逐漸被電控多片離合器式差速器替代。比如斯巴魯就逐漸替換成其基于中央多片離合器復合行星齒輪式差速器，即后文提到的斯巴魯AWD系統(tǒng)。
下面我們來說說電子派的代表差速器，即多片離合器式差速器。說到多片離合器式差速器恐怕不得不提一下一家供應商瑞典翰德（Haldex）。因為翰德幫助多家車企實現(xiàn)了其橫置四缸發(fā)動機配套的四驅系統(tǒng)。其中常見的就是大眾橫置發(fā)動機搭配的4Motion系統(tǒng)，比如大眾途觀的適時四驅系統(tǒng)，還有就是路虎神行者2、沃爾沃XC60等等適時四驅車型。翰德基于電控的多片離合器式差速器通過電磁閥或電機對多片離合器施加壓力，通過離合器將扭力輸送至后軸?？梢苑浅ｌ`活的調整輸送給后軸的扭力。這使得扭力的分配可以根據(jù)駕駛動態(tài)進行快速的調整。其具體特點包括： 1. 四驅狀態(tài)基于電控多片離合器實現(xiàn) 2. 可以靈活切換成前驅 3. 對于駕駛動態(tài)的變化可以快速響應。比如快速起步 4. 兼容不同的輪胎，比如換上備胎行駛 5. 對拖車時后輪著地沒有限制，不會損壞車輛 6. 和其他電子系統(tǒng)如剎車防抱死系統(tǒng)ABS、電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP或電子差速鎖EDL完全兼容。 7. 最多只能輸送50%的扭力至后軸 8. 基于電子系統(tǒng)對惡劣環(huán)境的可靠性不如純機械系統(tǒng)，比如可能出現(xiàn)過熱故障。 如下為翰德多片離合器式差速器的照片和結構圖
如下為基于翰德多片離合器式差速器的大眾4Motion系統(tǒng)架構
當然翰德并不是唯一一家可以提供多片離合器差速器的供應商。比如奔馳就有自己的一套多片離合器差速器系統(tǒng)稱為4MATIC。它分別集成在與橫置發(fā)動機配套的7速雙離合變速箱7G-DCT和與縱置發(fā)動機配套的7速自動變速箱7G-Tronic中。 奔馳GLA 四驅車型7速雙離合變速箱中的電控多片離合器差速器如下圖，這套多片離合器差速器也只能最多將50%扭力輸送至后軸，屬于適時四驅車型。
與上述不同的，奔馳GLK四驅車型7速自動變速箱中的電控多片離合器差速器可以將近乎100%扭力輸送至前軸或者后軸。其具體結構圖如下。其中一組行星齒輪組和多片離合器配合實現(xiàn)動力在前后軸間的分配，屬于全時四驅系統(tǒng)。
與此類似的寶馬也有一套集成在其8速自動變速箱中的電控多片離合器差速器，即xDrive全時四驅系統(tǒng)。它也能將近乎100%扭力輸送至前軸或者后軸。其結構圖如下。系統(tǒng)中包括一個電機會調節(jié)輸送到多片離合器上的壓力，從而完成前后軸扭力的分配。該系統(tǒng)應用于寶馬X1及3系xDrive車型中。
前面提到的斯巴魯AWD系統(tǒng)也是基于電控多片離合器式差速器，裝配與斯巴魯傲虎車型及森林人（部分車型）上。斯巴魯AWD系統(tǒng)被稱為可變扭矩分配全時四輪驅動系統(tǒng)（Variable torque distribution AWD），簡稱VTD?；谥醒攵嗥x合器復合行星齒輪系統(tǒng)實現(xiàn)。并且斯巴魯車型還有一項獨門絕技，我們稍后再表。
那么說完了中央差速器的機械派和電子派。我們來看看哪些車型配備了后橋限滑差速器Rear Limited Slip Differential （LSD）。其實市場上很多車型都沒有配備后橋限滑差速器。那當前輪打滑的時候，中央差速器將動力分配給了后輪。如果后輪中的一個也出現(xiàn)了打滑，這時該怎么辦呢？因為有一項技術叫電子差速鎖Electronic Differential Lock (EDL)。其實你在車上根本找不到任何一個部件叫電子差速鎖。因為它只是一個電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP的一項功能而已。它的基本原理就是通過剎車限制打滑一側車輪的轉速，使得打滑側和有摩擦力側的車輪轉速相近，然后通過普通差速器向有摩擦力側的車輪輸送扭力的過程。其前提就是需要偵測到打滑側的車輪轉速過高，然后增加制動力度。 這是一種成本最低，也最容易實現(xiàn)的方法?？梢钥吹綄囕v來說并沒有增加任何實體部件，而只是對剎車系統(tǒng)進行了軟件升級。但電子差速鎖也不是十全十美的?，F(xiàn)在開車如果忘記放手剎，有時帶著一檔車也能開起來。那當大油門的時候出現(xiàn)車輪打滑，剎車系統(tǒng)要將那么大的動力剎停下來本來就不容易。并且時間不能太長，否則就會出現(xiàn)剎車過熱的狀況。因此如果你對車輛的越野性能沒有太高要求，那么具備電子差速鎖的車型就夠了。如果你希望你的車能夠應對比較復雜的越野路況，那么選擇一款具有后橋限滑差速器的車型就變得挺有必要了。 后橋限滑差速器也分為機械型和電控型。比如豐田蘭德酷路澤最低配、豐田國產普拉多2.7L、路虎神行者2和斯巴魯傲虎3.6L（2.5L車型并未配備后橋限滑差速器）就使用的是機械型后橋限滑差速器。當后輪中的一個打滑時，后橋限滑差速器中小齒輪的旋轉會對轉速低有摩擦力的一側多片離合器施加壓力。此時有摩擦力的一側就得到了更多的扭力。具體結構圖如下。
然而電控型的后橋限滑差速器多用于高端車，超出了今天我們主要討論的車型價格范圍。比如寶馬X6的DPC（Dynamic Performance Control動態(tài)性能控制）差速器和奧迪A6 Quattro Sport Differential運動差速器。這個類型的后橋限滑差速器不只是用于越野，更多的是服務于更好的公路操控性能。因此其引入了一個新的概念叫做扭矩矢量Torque Vector。 比如寶馬的DPC后橋差速器左右各有一組電控多片離合器，通過電磁閥調節(jié)某一側的液壓油壓即可調整多片離合器的結合程度，從而讓該側的車輪得到更多的動力。幫助車輛轉向。具體結構如如下。
而奧迪的 Quattro Sport Differential運動差速器也基于類似的原理對左右車輪的扭矩進行調節(jié)從而實現(xiàn)扭矩矢量功能，具體如下圖。
相信大家也發(fā)現(xiàn)了此類電控后橋差速器已經和越野沒有太大關系了，更加注重運動性能。并且成本很高。所以如果你只關注越野性能的話，可以先不考慮裝備這種后橋變速器的車型。 最后和大家再來聊幾句前面提到的斯巴魯?shù)慕^技。它就稱為對稱四驅系統(tǒng)（Symmetrical System）。 如果大家仔細想一下前面提到的其他各家車企的話不管是橫置發(fā)動機還是縱置發(fā)動機的布置都無法把差速器放到前軸的中央位置。這是由發(fā)動機的布置決定的。橫置發(fā)動機長度超過了前軸的中軸線。而縱置發(fā)動機雖然布置在前軸的中軸線上，但由于長度的關系超過了前軸，需要通過變速箱的分動裝置再接回前軸差速器。而此時前軸差速器只能布置在縱置發(fā)動機的邊上。具體可以參考下圖的橫置發(fā)動機和縱置發(fā)動機布局圖。
而這種前軸差速器布置上的左右長度不平衡會造成前輪打滑的時候差速器需要重新分配動力而車輛出現(xiàn)左右晃動的現(xiàn)象。斯巴魯則完美的解決了這個問題。因為它是僅有的幾家堅持使用水平對置發(fā)動機的車企（另外就是保時捷仍然有水平對置發(fā)動機技術）。水平對置發(fā)動機除了平衡性極佳以外，另一個好處就是它的長度非常短。完全可以縱置在前軸中軸線上，然后有合適的發(fā)動機長度給差速器留出空間。因此斯巴魯?shù)乃尿屜到y(tǒng)是基于車輛中軸線左右對稱的。那么就避免了前面提到了前輪打滑就出現(xiàn)車輛左右晃動的問題。具體車身布置和對稱/非對稱系統(tǒng)的對比可以參考下圖。
如前所說選車的時候先要關注中央差速器是機械方案的還是電子方案的。機械方案穩(wěn)定可靠但是成本較高，電子方案小巧靈活但是穩(wěn)定不足，不能長時間工作。關于后橋限滑差速器，如果對越野要求不高，可以選擇僅采用電子差速鎖的車型。如果有一定越野要求，則推薦選擇裝備機械型后橋限滑差速器的車型。另外如果對斯巴魯?shù)膶ΨQ式四驅系統(tǒng)感興趣的話，可以重點關注一下。由于它水平對置發(fā)動機布局構建的左右對稱性解決了打滑時車身左右晃動的問題。 希望我的這些解釋可以解決Zhibin和各位對四驅系統(tǒng)的一些疑問，幫助你們在選車的時候按圖索驥，做出最適合自己的決定。
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