车轮在不同路面上正常行驶的机理

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摘 要：汽车行驶过程中，车轮相对路面有两种运动状态：滚动和滑动。车轮对路面的滑动不仅会加速轮胎磨损，增加汽车的动力消耗，而且可能导致转向和制动性能的恶化。所以，在正常行驶条件下，应使车轮尽可能不发生滑动，这需要通过汽车差速器的作用来实现。通过对差速器的运动特性和转矩特性的分析阐明车轮在不同路面正常行驶的机理。

关键词：滚动；滑转；滑移；运动特性；转矩特性；直线行驶；转向行驶

汽车行驶时需要转向系统保持汽车直线行驶和转向行驶，而这是通过车轮与地面的作用来完成的。汽车行驶过程中，车轮相对路面有两种运动状态：滚动和滑动。滑动又有滑转和滑移两种。设车轮中心相对路面的速度为v，车轮旋转角速度为ω，车轮滚动半径为r。如果v=ωr，则车轮对路面的运动为滚动，这是最理想的运动状态；如果ω>0，但v= 0，则车轮的运动为滑转；如果v>0，但ω= 0，则车轮的运动为滑移。

图1 汽车转向时驱动车轮的运动示意图

当汽车转弯行驶时，内外两侧车轮中心在同一时间内移过的曲线距离显然不同，即外侧车轮移过的距离大于内侧车轮，如图1所示。若两侧车轮都固定在同一刚性转轴上，两轮角速度相等，则此时外轮必然是边滚动边滑移，内轮必然是边滚动边滑转。同样，汽车在不平路面上直线行驶时，两侧车轮实际移过的曲线距离也不相等。因此在角速度相同的条件下，在波形较显著的路面上运动的一侧车轮是边滚动边滑移，另一侧车轮则是边滚动边滑转。即使路面非常平直，但由于轮胎制造尺寸误差，磨损程度不同，承受的载荷不同或充气压力不等，各个轮胎的滚动半径实际上不可能相等，因此，只要各轮角速度相等，车轮对路面的滑动就必然存在。车轮对路面的滑动不仅会加速轮胎磨损，增加汽车的动力消耗，而且可能导致转向和制动性能的恶化。所以，在正常行驶条件下，应使车轮尽可能不发生滑动，这需要通过汽车差速器的作用来实现。应用最广泛的普通齿轮差速器为对称式锥齿轮差速器。对称式锥齿轮差速器是一种行星齿轮机构。差速器壳与行星齿轮轴连成一体，形成行星架，并且又与主减速器从动齿轮固连，为主动件，设其角速度为w0；左、右半轴齿轮为从动件，其角速度为w1和w2。A，B两点分别为行星齿轮与左、右半轴齿轮的啮合点。行星齿轮的中心点为C，A、B、C三点到差速器旋转轴线的距离均为r，如图2所示。

a）差速器运动简图 b）差速器不起作用 c）差速器起作用

图2 差速器运动原理

一、运动特性

1.汽车直线行驶时.此时两侧驱动车轮所受到的地面阻力相同，并经半轴、半轴齿轮反作用于行星齿轮两啮合点A和B（见图2a）。这时行星齿轮相当于等臂杠杆，即行星齿轮不自转，，行星齿轮只是随同行星架绕差速器旋转轴线公转，显然，处在同一半径r上的A、B、C三点的圆周速度都相等（图2b），其值为w0r。于是，w1=w2=w0，即差速器不起差速作用，而半轴角速度等于差速器壳的角速度。若角速度以每分钟转速表示，即n1=n2=n0，则n1+n2=2n0。

2.汽车转向行驶时。此时两侧驱动车轮所受到的地面阻力不同。如果车辆右转，右侧（内侧）驱动车轮所受的阻力大，左侧（外侧）驱动车轮所受的阻力小。这两个阻力经半轴、半轴齿轮反作用于行星齿轮两啮合点A和B（见图2），使行星齿轮除了随差速器壳公转外，还绕本身的轴以角速度w4自转（图2c），啮合点A的圆周速度为w1r=w0r+w4r4，啮合点B的圆周速度为w2r=w0r+w4r4。即左半轴齿轮的转速增加，右半轴齿轮的转速降低，且左半轴齿轮增加的转速等于右半轴齿轮降低的转速。于是，w1r+w2r=（w0r+w4r4）+（w0r?w4r4）即w1+w2=2w，若角速度以每分钟转速表示，n1+n2=2n0。

因此，两半轴齿轮直径相等的对称式锥齿轮差速器的运动特征方程为n1+n2=2n0，它表明左右两侧半轴齿轮的转速之和等于差速器壳转速的两倍，而与行星齿轮转速无关。因此，在汽车转弯行驶和其他形式情况下，都可以借行星齿轮以相应转速自转，使两侧驱动车轮以不同转速在地面上滚动而无滑动。还可得知：①当任何一侧半轴的转速为零时，另一侧半轴齿轮的转速为差速器壳转速的两倍；②当差速器壳转速为零（例如用中央制动器制动传动轴时），若一侧半轴齿轮受其他外来力矩而转动，则另一侧半轴齿轮即以相同转速反向转动。

二、转矩分配

设主减速器传至差速器壳的转矩为M0，两半轴的转矩分别为 M1和M2，行星齿轮的自转产生的摩擦力矩为MT。

1. 汽车直线行驶时。由主减速器传来的转矩 ，经差速器壳，行星齿轮轴和行星齿轮传给半轴齿轮。行星齿轮相当于一个等臂杠杆，而两个半轴齿轮的半径也是相等。因此，当行星齿轮没有自转时（MT=0），总是将转矩M0平均分配给左，右两半轴齿轮，即M1=M2=M0/2。

2.汽车转向行驶时。当两半轴齿轮以不同转速朝相同方向转动时，设左半轴转速n1大于右半轴转速n2，则行星齿轮将按图3上的实线箭头n4的方向绕行星齿轮轴3自转，由于行星齿轮的自转，行星齿轮孔与行星齿轮轴轴径间以及齿轮背部与差速器壳体之间都产生摩擦。行星齿轮所受的摩擦力矩MT方向与其自转转速n4方向相反，如图3上的箭头所示。此摩擦力矩使行星齿轮分别对左右半轴齿轮附加作用了大小相等而方向相反的两个圆周力F1和F2。 使传到转的快的左半轴上的转矩M1减小，而F2却使传到转的比较慢的右半轴上的转矩M2增加。因此，当左右驱动车轮存在转速差时， ，左右车轮上的转矩之差，等于差速器的内摩擦力矩MT。目前广泛使用的对称式锥齿轮差速器内摩擦力矩小，可以认为，无论左右驱动轮转速是否相等，其转矩基本上总是平均分配的。

因此，普通锥齿轮差速器的转矩分配特性为 ，即转矩等量分配特性。这样的分配比例对于汽车在良好路面上直线或转弯行驶时，都是满意的。但当汽车在坏路面上行驶时，却严重影响了通过能力。

参考文献：

[1]李清明，汽车故障诊断与检测技术（发动机与底盘部分），机械工业出版社.

[2]甘路，汽车维护，机械工业出版社.

作者简介：刘甫勇，湖北省襄阳，襄阳汽车职业技术学院，主要从事汽车类教学研究。