科普干货：让文科生也能看懂的汽车原理

在步入本文正题前，让我们先来看一幅图：

小伙伴们有没有想过，田径赛跑时，选手们的出发位置为什么不一样？为什么越靠近内圈，选手位置越靠后？这个问题我想只要稍具几何知识就能回答：越靠近圆心，赛道半径越小，与外圈选手相比，同样跑一圈其赛道周长即奔跑距离越短，所以需要在出发时拖后一些。那么汽车呢？

汽车的内外侧轮胎位置相对固定，直行时没有任何问题，因为四个轮子运行轨迹一致，但在转弯时，内外侧轮子存在转弯半径差异，如果这时四个轮子还和直行时一样均保持相同的速度，恐怕内外轮因为实际“场上位置”的变化就要“闹分家”了。而车轮也不能像赛跑运动员那样提前偏移一定的距离，怎么办？

有聪明的小伙伴说了，让内外轮转速不一致呗，就是外圈的跑快一点，内圈的跑慢一点，总之内外轮保持“队形”整齐！

——思路正确，如何实现？

小伙伴又说了：分别控制呗，就是一个电机（或发动机）带动内轮，另一个电机（或发动机）带动外轮。

——嗯，想法不错，可惜直到现在，电动汽车界的翘楚特斯拉也没有做到（其D系列确实有两套电机，不过它们分别控制前后轮），高大上的超级豪车布加迪也不行，原因很简单：高速情况下，行车电脑根本来不及计算，而左右车轮转速一旦不匹配，车辆很可能立即失控，后果不堪设想。

那么，汽车到底是如何实现用一个发动机同时控制内外侧车轮，让它们直行时转速相同，转弯时自动调节保持“队形”一致呢？

一百多年前，法国人雷诺（就是现在雷诺汽车公司的创始人）通过一套非常精巧的机械结构——差速器，解决了这一难题，在讲解其原理前，我们先来了解下汽车结构：（这里看不懂没关系，可以直接跳过看后面的GIF动态图片讲解）

汽车动力传递示意图：汽车两个后轮分别装在后轴两端，发动机输出的动力通过一根传动轴传至汽车后轴，让同一根轴左右两端的车轮拥有不同转速，靠的就是差速器（汽车发明出来时都是后轮驱动，前轮只负责转向，需要将动力传递至后轴，现在大部分家用车都是前驱，后轮空转，没有传动轴，不过差速器还是必不可少）

我们通过一部上世纪三十年代的科教片进行讲解：

片名：《Around The Corner》，雪佛兰出品、在好莱坞进行拍摄

我们可以把最后剩下的两辆摩托车看作是一辆汽车（都是四个轮子），可以明显看出内外轮的运行轨迹和转速差异。

当同一根轴的左右两端轮子都可以自由旋转时，不存在转速差问题，内轮转的慢一点，外轮转的快一点，就像古时候的马车，现在超市的手推车都可以自由转向。

?但是汽车不行，因为左右两边的轮子要从同一根轴上获取动力，实际上已经连为一体，从这张图上可以看到（注意轮胎上的白色标记，表明内外侧轮胎转速相同），没有差速器时，内侧的轮子在打滑（这就好比内外圈跑道选手明明速度一样，却要求两人肩并肩，那内圈选手就只能原地踏步了），这样的车开出去，一转弯就容易翻车。

为了解决这个问题，汽车发明初期都是只有一个驱动轮的，另一边的轮子空转，但问题又来了：这个驱动轮一旦陷到路上，另一边轮子只能干着急。

现在的人力三轮车、部分机动、电动三轮车还在沿用这一结构，大家在街上可以留意一下，其实它们只有一个轮子有动力，另一个就是跟着转。

?直到差速器横空出世，让汽车由单轮进入两轮驱动以及后来的四轮驱动时代，它是怎么做到的？

为解释其工作原理，工程师们制造了这样一个模型：左右两侧轮胎安装在支架上，且分别与两根半轴相连，半轴末端分别连接一根竖起的小杆，两侧轮胎可分别以任意速度自由旋转。

现在用一根横杆拨动竖杆，当两侧轮胎转速一致时，没有任何问题（类似于汽车直行），再对这个横杆稍作改进，用一个支架把它连在一侧半轴上，同样可以自由旋转。

同样的，当两侧轮胎速度一致时（即汽车直行时），没有任何阻碍，但是当实验人员试图让一侧车轮的速度慢一点时（即模拟转弯时，内轮的转速要慢于外轮），两侧车轮依然保持同样的速度，这样的轮子是无法转弯的。并且如果这个阻力够大，整个传动系统都会卡住。

为了让两侧车轮在转弯时速度有所差异，我们对这个横杆稍作改动，让它可以自由旋转。接下来，就是见证奇迹的时刻：

当两侧车轮速度一致时（即汽车直行时），横杆正常旋转，但当两侧车轮速度不一致时（即车辆转弯时），横杆通过自身的旋转“化解”了这一速度差异，差速器诞生了！

问题是，一旦这根横杆旋转一定角度，就和竖杆接触不上了，所以仅有一根横杆是不够的，我们再加一根，两根横杆互成90度，现在这个旋转动作可以连续进行了。甚至，当一侧车轮“卡死”时（类似于车辆原地打转），另一侧还可以自由旋转。

问题又来了：仅有两根横杆的话，各零件间的间隙过大，一些位置根本接触不到，于是我们继续增加横杆的数量，直到把横杆和竖杆变成齿轮。

继续优化和改进，把原来的横杆对称布置增加稳定性并改善受力情况。

差速器大致结构已经出来了

然后让模型结构更紧凑一些以投入实际使用

然后把它装在车上

这时人们却发现装了这玩意后，汽车底盘为了避开传动轴不得不升高，这样的话车内乘员空间就很小了。

当然也可以不用管它，让传动轴位于底盘上面，从后排座位中间穿过去，不过这样一来就很尴尬了：中间没法坐人、行李放不下、不好看还很危险。

这可难不倒汽车工程师，改变齿轮的啮合位置（即主减速器齿轮偏置），就能使汽车底盘随着传动轴的位置下移而下降，Perfect!

不过直到现在，一些后驱或四驱车甚至前驱车因为各种各样的原因（比如专门提高底盘离地间隙以提升越野通过性能或者出于成本考虑）还存在后排中间座位地板凸出的问题，不过都是遮住的。

当然，上面介绍的只是最原始的差速器，现在的结构要复杂的多，但基本原理没有变

延伸阅读：差速锁是个什么鬼？

凡事有利就有弊，上述普通差速器的缺点呢，就像上面演示实验中那样，当一侧车轮陷进坑里被卡住，另一侧悬空时（即两侧车轮与地面的摩擦力不一致时），差速器会“误以为”车辆正在转弯，通过差速齿轮把动力全都分配到了空转的那个轮子上，没用的轮子转的很嗨，需要脱困的轮子却浑身软绵无力，只能干瞪眼（途中这辆车的左后轮是几乎不转的）。