科普干貨：讓文科生也能看懂的汽車原理

在步入本文正題前，讓我們先來看一幅圖：

小伙伴們有沒有想過，田徑賽跑時，選手們的出發位置為什么不一樣？為什么越靠近內圈，選手位置越靠后？這個問題我想只要稍具幾何知識就能回答：越靠近圓心，賽道半徑越小，與外圈選手相比，同樣跑一圈其賽道周長即奔跑距離越短，所以需要在出發時拖后一些。那么汽車呢？

汽車的內外側輪胎位置相對固定，直行時沒有任何問題，因為四個輪子運行軌跡一致，但在轉彎時，內外側輪子存在轉彎半徑差異，如果這時四個輪子還和直行時一樣均保持相同的速度，恐怕內外輪因為實際“場上位置”的變化就要“鬧分家”了。而車輪也不能像賽跑運動員那樣提前偏移一定的距離，怎么辦？

有聰明的小伙伴說了，讓內外輪轉速不一致唄，就是外圈的跑快一點，內圈的跑慢一點，總之內外輪保持“隊形”整齊！

——思路正確，如何實現？

小伙伴又說了：分別控制唄，就是一個電機（或發動機）帶動內輪，另一個電機（或發動機）帶動外輪。

——嗯，想法不錯，可惜直到現在，電動汽車界的翹楚特斯拉也沒有做到（其D系列確實有兩套電機，不過它們分別控制前后輪），高大上的超級豪車布加迪也不行，原因很簡單：高速情況下，行車電腦根本來不及計算，而左右車輪轉速一旦不匹配，車輛很可能立即失控，后果不堪設想。

那么，汽車到底是如何實現用一個發動機同時控制內外側車輪，讓它們直行時轉速相同，轉彎時自動調節保持“隊形”一致呢？

一百多年前，法國人雷諾（就是現在雷諾汽車公司的創始人）通過一套非常精巧的機械結構——差速器，解決了這一難題，在講解其原理前，我們先來了解下汽車結構：（這里看不懂沒關系，可以直接跳過看后面的GIF動態圖片講解）

汽車動力傳遞示意圖：汽車兩個后輪分別裝在后軸兩端，發動機輸出的動力通過一根傳動軸傳至汽車后軸，讓同一根軸左右兩端的車輪擁有不同轉速，靠的就是差速器（汽車發明出來時都是后輪驅動，前輪只負責轉向，需要將動力傳遞至后軸，現在大部分家用車都是前驅，后輪空轉，沒有傳動軸，不過差速器還是必不可少）

我們通過一部上世紀三十年代的科教片進行講解：

片名：《Around The Corner》，雪佛蘭出品、在好萊塢進行拍攝

我們可以把最后剩下的兩輛摩托車看作是一輛汽車（都是四個輪子），可以明顯看出內外輪的運行軌跡和轉速差異。

當同一根軸的左右兩端輪子都可以自由旋轉時，不存在轉速差問題，內輪轉的慢一點，外輪轉的快一點，就像古時候的馬車，現在超市的手推車都可以自由轉向。

?但是汽車不行，因為左右兩邊的輪子要從同一根軸上獲取動力，實際上已經連為一體，從這張圖上可以看到（注意輪胎上的白色標記，表明內外側輪胎轉速相同），沒有差速器時，內側的輪子在打滑（這就好比內外圈跑道選手明明速度一樣，卻要求兩人肩并肩，那內圈選手就只能原地踏步了），這樣的車開出去，一轉彎就容易翻車。

為了解決這個問題，汽車發明初期都是只有一個驅動輪的，另一邊的輪子空轉，但問題又來了：這個驅動輪一旦陷到路上，另一邊輪子只能干著急。

現在的人力三輪車、部分機動、電動三輪車還在沿用這一結構，大家在街上可以留意一下，其實它們只有一個輪子有動力，另一個就是跟著轉。

?直到差速器橫空出世，讓汽車由單輪進入兩輪驅動以及后來的四輪驅動時代，它是怎么做到的？

為解釋其工作原理，工程師們制造了這樣一個模型：左右兩側輪胎安裝在支架上，且分別與兩根半軸相連，半軸末端分別連接一根豎起的小桿，兩側輪胎可分別以任意速度自由旋轉。

現在用一根橫桿撥動豎桿，當兩側輪胎轉速一致時，沒有任何問題（類似于汽車直行），再對這個橫桿稍作改進，用一個支架把它連在一側半軸上，同樣可以自由旋轉。

同樣的，當兩側輪胎速度一致時（即汽車直行時），沒有任何阻礙，但是當實驗人員試圖讓一側車輪的速度慢一點時（即模擬轉彎時，內輪的轉速要慢于外輪），兩側車輪依然保持同樣的速度，這樣的輪子是無法轉彎的。并且如果這個阻力夠大，整個傳動系統都會卡住。

為了讓兩側車輪在轉彎時速度有所差異，我們對這個橫桿稍作改動，讓它可以自由旋轉。接下來，就是見證奇跡的時刻：

當兩側車輪速度一致時（即汽車直行時），橫桿正常旋轉，但當兩側車輪速度不一致時（即車輛轉彎時），橫桿通過自身的旋轉“化解”了這一速度差異，差速器誕生了！

問題是，一旦這根橫桿旋轉一定角度，就和豎桿接觸不上了，所以僅有一根橫桿是不夠的，我們再加一根，兩根橫桿互成90度，現在這個旋轉動作可以連續進行了。甚至，當一側車輪“卡死”時（類似于車輛原地打轉），另一側還可以自由旋轉。

問題又來了：僅有兩根橫桿的話，各零件間的間隙過大，一些位置根本接觸不到，于是我們繼續增加橫桿的數量，直到把橫桿和豎桿變成齒輪。

繼續優化和改進，把原來的橫桿對稱布置增加穩定性并改善受力情況。

差速器大致結構已經出來了

然后讓模型結構更緊湊一些以投入實際使用

然后把它裝在車上

這時人們卻發現裝了這玩意后，汽車底盤為了避開傳動軸不得不升高，這樣的話車內乘員空間就很小了。

當然也可以不用管它，讓傳動軸位于底盤上面，從后排座位中間穿過去，不過這樣一來就很尷尬了：中間沒法坐人、行李放不下、不好看還很危險。

這可難不倒汽車工程師，改變齒輪的嚙合位置（即主減速器齒輪偏置），就能使汽車底盤隨著傳動軸的位置下移而下降，Perfect!

不過直到現在，一些后驅或四驅車甚至前驅車因為各種各樣的原因（比如專門提高底盤離地間隙以提升越野通過性能或者出于成本考慮）還存在后排中間座位地板凸出的問題，不過都是遮住的。

當然，上面介紹的只是最原始的差速器，現在的結構要復雜的多，但基本原理沒有變

延伸閱讀：差速鎖是個什么鬼？

凡事有利就有弊，上述普通差速器的缺點呢，就像上面演示實驗中那樣，當一側車輪陷進坑里被卡住，另一側懸空時（即兩側車輪與地面的摩擦力不一致時），差速器會“誤以為”車輛正在轉彎，通過差速齒輪把動力全都分配到了空轉的那個輪子上，沒用的輪子轉的很嗨，需要脫困的輪子卻渾身軟綿無力，只能干瞪眼（途中這輛車的左后輪是幾乎不轉的）。