你想过没有，四个轮的汽车想拐个弯，比自行车麻烦多了

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这个问题：“田径赛跑时，选手们的出发位置为什么不一样...

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这个问题：

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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。可这关汽车什么事？我们先来了解下汽车是怎么跑起来的，用最简单直白的话来说，就是两个后轮装在后轴上，两个前轮装在前轴上另加一套转向机构，再想办法把发动机传出的动力（旋转运动）经过变速（换挡）后通过传动轴分别传递到前后车轴上，由此带动车轮旋转（分别与四个车轮相连的那一半前/后轴，形象的称之为半轴）。

这下问题就来了：

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：

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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：

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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。

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，转弯时自动调节拥有不同转速从而保持“队形”一致呢？

早在一百多年前，法国人雷诺就通过一套非常精巧的机械结构解决了这一难题，这个机械结构名为——差速器。

我们通过一部上世纪三十年代的科教片进行讲解：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。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能够具有不同速度，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，同时增加竖杆的数量，也成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。现在问题又来了：仅有两根横杆/竖杆的话，各零件间的间隙过大，一些位置根本接触不到，传动过程就不连续，于是我们继续增加横杆/竖杆的数量，直到变成齿轮。继续优化和改进，把原来的横杆对称布置以增加稳定性并改善受力情况，但工作原理还是一样的，原来的横杆在自转的同时又围绕竖杆公转，现在变成齿轮后，在机械上我们形象的称之为行星齿轮。这样差速器大致结构已经出来了，手摇的动作代表由发动机输出的旋转动力，由那根长长的杆子（我们叫它传动轴）传递到差速器上。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，但都是遮住的。

有小伙伴又问了，我在车上咋没见过这套玩意？因为早期的汽车都是发动机带动后轮转动（即后轮驱动），需要那根长长的传动轴，前轮空转只负责转向。但是现在大部分家用车由于成本等原因都是前轮驱动的，后轮空转只负责承载重量，那一根长轴连同后差速器就都去掉了。然而即使是前轮驱动，也要有前差速器，四轮驱动的话那就前后差速器都要有。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。

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差速锁是个什么鬼？

有的小伙伴可能会问了，差速锁又是什么鬼？凡事有利就有弊，普通差速器的缺点是，在正常路面上转弯时没有任何问题，但当一侧车轮真的被卡住（即使此时车辆没有转弯），另一侧悬空或与地面的摩擦力很小时（即两侧车轮受力不一致），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），我们形象的称之为欺软怕硬。

这时候更先进的限滑差速器就要闪亮登场了，它能限制差速器两端的滑动，避免此类情况的发生，提高车辆的越野性能，不过其种类众多，原理各不相同，这就不是一篇文章能说清楚的事了。

在更为极端的情况下，需要让差速器彻底失效，即用差速锁把车轮全部锁死连为一体，这样只要有一个轮子还能抓地，车辆就能脱困。限于篇幅有限，这里只能顺便提两句，感兴趣的童鞋可以自行研究一下，但前提是搞懂前面所讲的差速器工作原理。

一个AI

嗯，不是广告。失望吗？

失望就关注下果壳实验室的微信吧，也算本AI打了个广告好了……题图来源：www.997788.com

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