限滑差速器


限滑差速器,英文名为Limited Slip Differential,简称LSD。限滑差速器,顾名思义就是限制车轮滑动的一种改进型差速器,指两侧驱动轮转速差值被允许在一定范围内,以保证正常的转弯等行驶性能的类差速器。事实上LSD依构造的不同可以分为好几种型式,而每一种LSD亦都有其特别之处。接下来我们就分门别类归纳出常见的各种式样。 

简介:

限滑差速器,英文名为Limited Slip Differential,简称LSD。限滑差速器,顾名思义就是限制车轮滑动的一种改进型差速器,指两侧驱动轮转速差值被允许在一定范围内,以保证正常的转弯等行驶性能的类差速器。事实上LSD依构造的不同可以分为好几种型式,而每一种LSD亦都有其特别之处 。

功能原理:

在谈论LSD这个机件之前,读者务必先知道差速器的功能与动作原理。而差速器本身的动作原理,亦属于专业级的构造,若要单纯用文字来叙述,大部分的读者可能很难理解,所以笔者先用日常最容易接触的现象和状况,来解释原厂差速器的设计功能和必需性。

现行车辆的转向设计是依据艾克曼第五轮原理来设定,也就是弯道内轮的转向角度大于外轮。再由三角函数计算内侧车轮所转动的距离会比外侧车轮距离短,一旦距离有差异时,等于内外轮 (左、右轮) 的转速不一致,如果从变速箱所输出的传动轴没有藉由差速器来分隔左、右输出,那么车辆在转弯时便无法调整左、右轮的转速。在慢速时藉由多余且不当的摩擦来带过,而高速转弯则会发生弯道内轮因多余的旋转及摩擦,导致轮胎跳离地面连带利用车轴及悬挂使车体上扬,当内侧车体上扬加上离心力的驱动,很自然就会朝转弯方向的另一侧翻覆。

所以说车辆的左、右车轮绝对不是同轴型式,尤其现代汽车又以前轮驱动设计居多,没有差速器的构造,驾驶者根本无法操控方向盘,因为只要驾驶者转动方向盘,轮胎藉由地面产生的回馈力,强力的将方向盘推回中心原点,如此一来操控根本无法存在,所以在传动轮中央置入差速器是传动系统必备的要件。


由于差速器是藉由盆型齿轮及角齿轮驱动,内部包含边齿轮及差速小齿轮。当车辆直行时,并无差速作用,差速小齿轮及边齿轮整个会随着盆齿轮公转无差速作用,一旦车辆转弯内、外轮阻力不一样时,差速齿轮组因阻力的作用迫使产生自转功能进而调整左、右轮速。既然左、右轮速的变化及调整是藉由轮胎及地面阻抗来自由产生,那么后续的使用状况就将造成车辆无法行驶的状态。

譬如说当车辆一轮掉入坑洞中,此车轮就毫无任何摩擦力可言,着地车轮相对却有着极大的阻力,此时差速器的作用会让所有动力回馈到低摩擦的轮子。掉入坑洞的车轮会不停转动,而着地轮反而完全无动作,如此车轮就无法行驶。

还有一种属于循迹现象的状况,也就是所谓性能输出的现象,即车轮在过弯时大脚油门,动力输出特别明显,输出扭力加上离心力,迫使车辆内轮扬起离开地面或产生打滑现象,一旦有一轮空转,动力便一直往空转轮传输 (因为阻力少) ,车辆依然无法加速前进。

另有一种属于激烈操驾模式而产生的打滑现象,此现象车辆既不转弯,也非左、右轮置于不同摩擦系数路面的状况,那就是在进行零四加速时,巨大的动力输出,随着左、右传动轴的长短不一致及轮胎些许的差异,导致动力瞬间输往摩擦力弱的一轮,此轮便开始不停的空转,另一轮无从发挥作用,车辆当然无法往前迈进。为了解决以上这些现象,让更多的动力平均传递到左、右两个驱动轮上,限制差速器左、右滑动率的比例来完成此目标,所以限滑差速器便是解决问题的标准机件。

差速器很好的解决了汽车在不平路面及转向时左右驱动车轮转速不同的要求;但随之而来的是差速器的存在使得汽车在一侧驱动轮打滑时动力无法有效传输,也就是打滑的车轮不能产生驱动力,而不打滑的车轮又没有得到足够的扭矩。我们的汽车设计师一直在努力,于是差速锁出现了。差速锁很好的解决了汽车在一侧车轮打滑时出现的动力传输的问题,也就是锁止差速器,让差速器不再起作用,左右两侧的驱动轮均可得到相同的扭矩。可是大自然总是再给人类处理不完的难题。差速锁再解决原有问题的同时又带来了新的问题。


这种差速锁仅仅适用于越野车的使用,在野外非铺装路面上,路面附着力不大,即便差速器锁止时车轮发生一些打滑也无所谓,至少没有安全性问题。可是在铺装良好的公路上出现左右摩擦不平衡的时候,由于轮胎与干地面的摩擦是相当大的,在高速转弯时差速器锁止是非常危险的,弯道内轮因多余的旋转及摩擦,导致轮胎跳离地面连带利用车轴及悬挂使车体上扬,当内侧车体上扬加上离心力的驱动,很自然就会朝转弯方向的另一侧翻覆。

解决方法

解决问题的方法

通过ABS等电子设备来解决

在一侧驱动轮发生打滑时,电子传感器收集两侧车轮速度差,当电脑发现转速差超过设定值时,ABS驱动打滑轮的刹车工作,强制降低打滑轮转速,但这种工作方式是以保证安全性为首要目的,以牺牲速度为代价的,在频繁的工作状态下容易失效,可靠性不高。作为越来越重视车辆性能的今天,这种系统在高性能车上是决不能容忍的,于是就有了后者。

限滑差速器(LSD)

限滑差速器种类介绍 

限滑差速器因应不同需求

过弯性能的发挥,直线冲刺的快感,山道攻防的技巧,莫不需要依赖LSD的加持,很多原厂性能版的车辆也配置有LSD的装备,而LSD的型式又依机件结构的特性不同,可细分为扭力感应型、黏耦合型、螺旋齿轮式、标准机械式LSD等。这么多的型式,其最终目的是一致的,但过程的变化是不同的,因应驾驶者的需求及驾驶特性,才会有这么多式样产生。

限滑差速器扭力感应式LSD

是采用螺旋齿轮组,一样利用左、右双组的摩擦力来限定滑差效应,由于螺旋齿轮采纵向和基座齿轮的横向交错,无离合器片的损耗,运用在后驱车辆,其故障率较低,维修保养亦趋于简单,虽然在动力输出方面未能有强大的表现,但实用原则为其最大之优点。 它是将普通差速器的齿轮从齿轮改成涡轮蜗杆,而安装位置和形式并不变,借由蜗轮蜗杆传动的自锁功能(蜗杆可以向蜗轮传递扭矩,而蜗轮向涡杆施以扭矩时齿间摩擦力大于所传递的扭矩,而无法旋转)来实现防滑功能。大名鼎鼎的奥迪quattro就是采用这种结构,还有许多原厂高性能车种都是采用此种型式,像RX-7 FD3S的原厂LSD就相当有名。在扭力感应式LSD的特性方面,虽然其较少使用在运动用途上,但摩擦部分与机械式比较起来效果更好,而且维修上非常简单,这是它的最大优点。

限滑差速器螺旋齿轮LSD

其内部构造依然采用螺旋齿轮,有别于扭力感应式的LSD是此螺旋齿轮LSD所配置的齿轮全为「横向」,也就是和输出轴的运转同一方向,利用行星齿轮大小减速比的功能达到限速功能,其最大的弱点在于限定锁定扭力滑差的比例较小,但也因为维修及使用保养无需特别的注意,更不需要使用LSD专用油,因此原厂如Honda 1.8升Type-R、Silvia S15…等较新款的前轮带动车,也几乎都是使用此型式之LSD,此等LSD还有一个现象,就是车辆顶高后,转动驱动的左右两轮,并不会一起前进或后退,因此在当年TIS 1:9房车赛规格的验车过程中,它算是可以瞒混过关的偷改武器! 螺旋齿轮LSD内部的齿轮构造与扭力感应式LSD有些相似,同样是将普通差速器的齿轮从直齿改成螺旋齿,不过不是利用二者摩擦力的不同,而是改变了齿轮的安装位置和形式,通过只有螺旋齿轮才能实现的安装位置和形式,利用齿轮的减速比来限制左右驱动轮转速差的。这种LSD所能达到的最大转速差比较小。而且,扭力感应型的齿轮配置为纵向,而此种螺旋齿轮LSD的则为横向装置。和机械式LSD相比,它的最大弱点在于限制锁定的扭力范围较小,但维修、使用上没有什么特别麻烦之处。

限滑差速器滚珠锁定LSD

这种设计的特殊之处,是当小圆球在弯曲的沟槽中移动时,被沟槽切断的滚筒开始作动而发挥限滑的效果,尤其是其作动原理与一般品有很大的差异,目前并不算是主流的制品。在滚珠锁定LSD的特性方面,因为它的构造相当特别,因此可以发挥十分圆滑的效果,反过来说此LSD并不适合喜欢在街上狂飙的人士,而最后可以死锁差速器、并发挥最高扭力,也是值得记上一笔之处,所以最适用于分秒必争的比赛场合中。

限滑差速器黏性耦合式LSD

最早配置是用在VAG (Audi/VW) 车系,其间由多片的离合器组,加上硅油组合而成,它是利用硅油摩擦受热膨胀后,迫使离合器片接合来锁定轮差,其结构可说是最简单且体积小、造价低,是一款适用于大众型式的LSD。大约十年前LSD还是属于选用配备时,最受欢迎的就是这种黏性耦合型式样,就如大家所看到的,此LSD是由多个离合器片组合而成,透过硅油的喷入使左右轮胎产生回转差,然后再利用硅油的黏性做锁定。谈到这里大家应该不难想象,此类构造的效果并非很好,因为硅油的黏度会依温度产生性能上的差别,因此反应性算是最差,往好的方面想,这种LSD只是一款适合一般大众使用的类型罢了。

限滑差速器机械式LSD

在改装车辆中最传统也最常用,因此算是能见度最高的LSD,因为使用左、右两个离合器片和压板组,故亦称为多板或多片离合器式LSD,此型式之LSD可藉由离合器片与压板的排列组合来达到限滑百分比功能,从25%~90%的能力皆可完成。但唯一的缺点就是较难照顾,其务必要使用LSD专用油来定期保养,长时间或剧烈操驾也可能需要更换修理包。而离合器片装配不佳或置入时Run in方式不正确,也容易导致转弯异音或离合器片损坏之现象。 机械式LSD响应速度快,灵敏度高,限滑比例可根据压板和离合片的不同组合来实现,可调范围广,但造价高,耐久性不好,当离合器片磨损时,常会出现“嘎!嘎!”的噪音,因此需要做定期的维修,这也是其缺点之一。

限滑差速器主动式LSD

一般的LSD是由凸轮与齿轮组合而成,且利用使用球状沟槽的机械构造,被动的来接受作动,但装置在新型车种上的高科技差速器,由于配备有油压及电子控制系统,因此可以主动的使LSD作动。现在许多厂商都在研究它,有的还推出了控制左右车胎扭力的LSD。

限滑差速器依作动型式分类

LSD依作动型式不同可分为1 Way、1.5 Way、2 Way等三种。

1 Way是指在油门开启时且左右轮产生滑差,才发挥作用的单向型。

2 Way则是无论油门开启或关闭,只要滑差出现便会作动的双向型。另外1.5 Way则是收油时只会发挥较小限滑效果的形式。

针对甩尾最好是以2 Way较佳,这是由于在车身滑移时,操作有时是要以连续收放油门来控制,若使用1 Way或1.5 Way的LSD,在收油时的轮胎锁定率消失则大有失控的风险。另外较早期时有些作法是不加装LSD反而将差速器焊死,虽然能得到侧滑的效果,但正常行驶时就会持续推头,操控其实也更加困难。

限滑差速器作动方向

作动方向

机械式LSD依照其动力作用方向的不同,而可区分为One Way和Two Way,而所谓One Way即是单向的限滑动作,亦指为加油时能够产生限滑动作。Two Way为双向作用,即是加油或收油,都能对驱动轮施以限滑功能。如果在加油时有作用而收油时能发生一半作用的构造则称之为1.5 Way LSD。

既然区分为One Way、Two Way、1.5 Way,那是否也因为其特性,而因应在不同的使用状况,一般而言One Way型式比较适用于前驱车及四驱车种,前驱车因前轮除了负责动力输出外,还要负责转向的重责,而转向的回馈是直接施予驾驶者,为免除驾驶的控制困难,且因为弯道收油时,限滑力的释放,可使得操控者有较佳的手感,不会因为LSD的作用使方向盘重手不易操控。

而Two Way则广泛使用在后驱车甩尾式样,因为加油及收油皆能限滑,能有效控制循迹方向,且常时的锁定功能在油门瞬间开启时,也能使驱动反应明显而有效的展现,提供卓越的驱动力。而Two Way LSD如果装置在4WD车上,也依然能大幅的增加四驱之灵活性。

介于One Way及Two Way之间的1.5 Way LSD则是为了想要达到优越的驱动性能,却又担忧操驾不易的前提发展而来,其特点为收油时不像Two Way有着转向不足的情况发生,且在制动点的认定及控制比上较One Way容易,所以端看自己的驾驶能力及循迹效能大小,来认定及选择适当的LSD才能有效运用它的效用。

而车辆从发明一开始,马车的同轴带动,会引发翻车危机到研发了差速器,为使行驶平稳、轮胎损秏平衡到激烈操控,发生打滑现象又需要靠LSD来加持,这种种的一切,莫不遵循着天地间真理的现象,而运用在所有机件的运作上统称为物理,如果违反物理原则也就是违反大自法则,其终究无法胜任于车辆的基本要求。

像坊间有些人士为能使其达到限滑功能而将后轴差速齿轮焊死,虽然可达成不打滑的现象,可是在缺乏机械原理的概念下,其永远不知只要车辆行进,无论地有多平,左右轮永远都有滑差存在。无法释放或供给此滑差比例者,车辆绝对难有好的循迹性,就连LSD也是属于有百分比例的限制滑差,所以土法炼钢非但不宜,一但使用在前轮驱动车辆上,将会造成方向盘回馈瞬间击断双手之惨剧。

最后切记在选择LSD时要注意的是实用性,安装时需要由专业的店家规规矩矩量测安装,再根据使用手册按部就班的Run in,才能确保LSD的动作合乎标准,更不会因为新的LSD一装入就造成严重损坏。

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