黏性连接器用作前轮驱动限制滑移差速器对汽车牵引和操纵的影响

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目  录

1 基本概念        1

2 黏性连接器        1

3 牵引力的影响        2

4 影响转向装置扭转力的因素        3

5 转弯时的效应        5

6 制动影响        7

7 总结        8

1基本概念
   黏性连接器主要地被认为是在四轮驱动的汽车上驱动路线的一部件。然而，在近些年的发展中，施用在前轮驱动的趋势中将成为重要角色的观点是可能的。在欧洲和日本前轮驱动轿车产量的施用已经证明黏性连接器不仅对于光滑路面的汽车牵引，而且在正常行驶条件下对于操纵性和稳定性都有所改善。
        这篇文章展示出调查黏性连接器对汽车牵引和操纵的影响的重大检验场试验，试验证明大多数牵引的改善仅仅轻微地影响转向装置的扭转力。前轮驱动的汽车在直线行驶时影响发动机转矩的因素被描述出来。在前轮驱动的汽车上极大地影响限制滑移差速器适合性的关键汽车设计参数被确定。
        转弯试验展现出黏性连接器在前轮驱动的汽车上独立转弯时的影响。进一步的试验证明安装黏性限制滑移差速器的汽车在加速和转弯时节气门频繁关闭的 情况下显示出一个改善的稳定性。
2 黏性连接器
           黏性连接器被广泛认为是驱动列车的一组成部件。在这篇文章中仅仅给出它的基本功能和原理的简明概要。
        黏性连接器是根据液体摩擦的原理和依靠速度差来运转的。正如图1所示黏性连接器的滑动控制特性和驱动观察系统的对比。
        这表明传送到前轮的驱动扭转力是由一个优化的扭转力分配检测器自动控制的。
        在前轮驱动的汽车上黏性连接器可以安装在差速器的内侧或者一根中间轴的外面。外面的方式如图2所示。
        内部的这种设计方式有很大的优点。首先，在中间轴区域可以得到足够的空间来提供符合要求的黏性特性。这和当今前轮轴差速器只留下有限的空间相对比。其次，差速器架和转送轴套只需要很小的修改。而且差速器壳体的生产也仅仅只有一点影响。引用作为一个选择性的事很容易做到尤其当轴和黏性单元作为一个整体单元被共给时。最后，中间轴使为等长的的侧偏轴提供横向安装发动机是可能的，横向地安装发动机对于减小扭转力的操纵是很重要的（后面第四部分说明了）。
        这种特殊的设计也为有实际意义的重量和黏性单元费用的降低给出了很好的可能性。GKN Viscodrive正在发展一种低重量和低成本的黏性连接器。通过使用仅仅两个标准化的直径、标准化的盘，塑料轮毂和挤压成型的材料造成的储存室它能很容易地被截成不同的长度，使用一个宽的黏性范围是可能的。在图3中显示出这种发展的一个例子。
3 牵引力的影响
        作为一个扭转力平衡装置，一个开的差速器提供相等的力到两个驱动轮上。它也允许每个车轮在扭转没结束转弯时以不同的速度转动。然而，这种特性当道路表面滑动系数为限制扭转力传递到两轮的左、右附着变动时是不利的，它能被低滑动系数的轮子支持。
        安装黏性限制滑移差速器,在高的值的路面上它可能利用高车轮附着潜在性.这在图4中显示出。
        例如，当一个车轮传递的最大扭转力超出表面滑动系数允许值或者以一个高的侧面加速度转弯时，两个车轮的速度是不同的.在黏性连接器中产生的自锁扭转力抵抗速度差的增加并且传递合适的扭转力到车轮上它具有更好的牵引力潜能。
        在图4中可以看出牵引力的不同导致汽车瞬间向低滑动系数值()一侧跑偏，为了保持汽车直线行驶驾驶员必须施加一个相反的扭转力来补偿。通过黏性连接器的液体摩擦原理和从打开到锁死柔和的传递结果,这是很可能的，从汽车实验中得到的合适结果如图5所示。
        报告称平均操纵轮扭转力和为保持带有一个开式的并且黏性的差速器在加速期间在滑动系数的路面上直线行驶应输入的平均正确的相对的转向操纵。相互对照开式差速器和那些黏性连接器是相对大的。然而，在绝对条件下它们是小的。主观地说，转向装置的影响是不明显的。扭转力操纵也受几个运动参数影响这些参数将在这篇文章下个部分解释。
4 影响转向装置扭转力的因素
    如图6所示牵引力引起一个从头到尾的增加来反应每个车轮。因为带有限制滑动差速器的车轮在滑动系数的路面上加速时会出现不同的牵引力，所以从头到尾反应每个车轮的变化也是不同的。
        不幸的是，这个作用将导致一个不期望的朝低滑动系数一侧的反应，也就是说在不同的牵引力下产生相同的跑偏方向。
        降低从头到尾的弹力是黏性限制滑动差速器像其它任何形式差速器一样在前轴的成功应用所必须具备的。
        普遍地用下面的公式计算一个车轮的驱动力
               
     —牵引力
        —车轮垂直载荷       
        —利用的附着系数
        这些驱动力导致在车轮之间每个车轮的转向装置扭转力经过车轮干扰常数e干扰后与每个车轮的转向装置扭转力是不同的，给出下面的等式。
       
        这里 —扭转力矩差值
           e—车轮干扰常数
           — 主销倾角
        —高滑动系数一侧下标
        —低滑动系数一侧下标
   在带有开式差速器前轮驱动汽车的情况下，是很不明显的，因为扭转力基数是不大于1.35的。
        然而，因为应用了限制滑动差速器，这个影响是很有意义的。这样车轮干扰常数e就应该尽可能的小。不同的车轮载荷也会导致的增加所以差别也要尽可能的小。
        当扭转力通过铰接“CV连接”传递时，在主动一侧（下标1）和从动一侧（下标2），必须反应垂直平面相对于连接平面的不同的第二个力矩产生了。第二个力矩（M）大小和方向用于下面的式子计算（如图8）：
        主动一侧
        从动一侧
       
       
        这里 —纵向连接角
             —产生的连接角                  
        —产生变化的轮子半径
        —平均扭转力矩损失
        当每个装置的转向扭转力以及轮子之间的转向装置扭转力不同时，将围绕着主销轴线变动，如下所示：
       
        这里 —转向装置扭转力矩差
              W—轮子一侧的下标
        因此很明显不仅不同的驱动扭转力而且黏性驱动轴长度的不同也是一个因素。说道图7中的力矩多边形，的旋转方向或者各自地变化，都取决于轮子中心到变速箱输出的位置。
        如图7所示由于半轴的正常位置（轮子中心低于变速箱的输出点）第二个力矩产生和驱动力一样的旋转方向。由于改进的悬挂装置设计（车轮中心高于变速箱输出点，也就是说，为负值）第二个力矩抵消了由驱动力引起的力矩。这样为了得到带一个限制滑动差速器前轴好的适应性，设计要求：1）纵向弯曲角近似或者负值（）且左侧和右侧的值相等；2）等长度的侧轴。
        第二力矩在转向装置的影响不仅仅是上面描述的限制直接反应。从连接轴到车轮侧面和变速箱侧面之间的连接点间接反应也会产生，如下所示：
        图表9：由纵向平面的半轴连接产生的间接反应
        因为扭转力传递没有损失并且两个在连接轴上的第二个力矩都相互补偿。然而，事实上（有扭转力损失），第二个力矩出现不同：
          
            
        第二个力矩不同点是：
       
        为了简化应用给出和
       
        需要在两个连接处都有抵抗反应的力这里
。由连接处引起的干扰常数f，一个附加的转向装置扭转力矩也围绕着主销轴线变动：
     
        这里    —每个车轮的转向装置扭转力矩
                —转向装置扭转力矩差
                 f—连接处干扰系数
                 L—连接轴（半轴）的长度
        由于f值小，理想值是0，的影响较小。
5转弯时的效应
        扭转时由于驱动轮的速度不相等，黏性连接器也提供一个自琐的扭转力矩。如图表10所示，在平稳转向过程中，速度较慢的内侧车轮被外侧车轮黏性连接器施加的一个附加的驱动力。
        如图表10：前轮驱动力的汽车稳定状态下转向时的牵引力。
        不同的牵引力和导致一个侧偏力矩MCOG，它必须被一个较大的侧偏力补偿，因此在前轴有一个大的滑动角af。因此前驱动轮的汽车自动转向装置上黏性连接器的影响趋向一个在转向装置状态下的特性。这个运动方式整体上和所有转向操纵下在稳定状态下转弯移动时的现代汽车操纵方式的偏重心相一致.合适的试验结果如图表11所示。
        如图表11：安装有开式差速器的汽车饿安装有黏性连接器的汽车在稳定状态下转弯时的对比
        如图表10所示在转弯时不对称的牵引力干扰也会改进汽车的直线行驶。每一次偏离正常的直线方向都会引起车轮以轻微的不同半径滚动。驱动力和产生的侧偏力矩差会使汽车重新回到直线行驶（如图表10）。
        虽然这些方向的偏离引起仅仅很小的车轮滚动半径差，但是旋转的偏差尤其在高速时对于一个黏性连接器前差速器是足够将汽车带到直线上行驶的。
        安装有开式差速器的高动力前轮驱动汽车当以低档加速离开紧急转角时通常旋转它们的内侧车轮。安装有限制滑动黏性差速器，这个旋转是有限的并且有不同车轮的速度差产生的扭转力为外侧的驱动轮提供附加的牵引力效果。这显示在图表12中。
        如图表12：装有黏性限制滑动差速器的前轮驱动汽车在转道上加速时的牵引力
        特别地当行驶或加速离开一个T形交叉路口加速能力就这样被改善（也就是说在T形路口横切向右或向左从停止位置加速）。
        图表13和14显示了装有开式差速器和装有黏性限制滑动差速器在稳定状态下转弯过程中加速试验的结果。
        如图表13所示：装有一个开式差速器的前轮驱动汽车在半径为40m的湿沥青弯曲路面上加速特性（实验过程中安装有转向装置轮角测试仪）
        如图表14所示：装有一个黏性连接器的前轮驱动汽车在半径为40m的湿沥青弯曲路面上加速特性（实验过程中安装有转向装置轮角测试仪）
        安装有一个开式差速器的汽车平均加速度为同时装有黏性连接器的汽车平均加速度达到（被发动机功率限制）。在这些试验中，由内侧的从动轮引起的最大速度差，被从带有开式差速器的240rpm减少到带有黏性连接器的100rpm。
        在弯道上加速行驶时，前轮驱动的汽车通常处在操纵状态下要多于其匀速行驶的状态。前轮传递侧偏力潜能降低的原理是由于重心移到后轴车轮并且在驱动轮上增加了纵向力。在一个开式环形控制循环测试中这个能够看出在开始加速以后（时间为0在图表13和14中）偏跑速度（跑偏率）的降低。从图表13和14中还可以看出开始加速时装有开式差速器汽车的跑偏率比装有黏性连接器汽车的下降的更快。然而，在开始加速大约2秒后，黏性连接的汽车的跑偏率下降斜率增加高于装有开式差速器 的汽车。
        安装有限制滑动前差速器的汽车在转弯过程中加速时具有一个更稳定的最初反应比装有开式差速器的汽车，降低它的操纵状态。这是因为内侧驱动轮的高滑动通过黏性连接器产生一个增加的驱动力到外侧车轮，这在图表12中有解释。前轮牵引力的不平衡导致在行驶方向上的偏跑力矩，反对操纵状态。
        当驱动轮的附着限制是超出的,安装黏性连接器的汽车处于操纵状态比安装有开式差速器的汽车更明显(这里,开始加速后2 秒)。在非常低的摩擦力表面，例如雪或者冰，当装有限制滑动差速器的汽车在曲线路面上加速时更强的操纵性被期望因为通过黏性连接器连接的驱动轮更容易旋转（动力转向装置）。然而，这个特性能很容易地被驾驶员或者自动节气门调节牵引系统控制。在这些情况下比后轮驱动的汽车更容易控制。在转弯过程中当加速时它能够防止动力过分操纵。考虑到，所有的情况，装配有一个黏性连接器的汽车在加速过程中具有稳定的加速行动方式在光滑路面上只有小的缺点。
        通过突然释放加速器，在转弯过程中节气门关闭的反应，通常导致前轮驱动的汽车改换方向（节气门关闭超出了操纵）。高动力的模型能得到高侧偏加速度显示出最大规模的反应。这个节气门关闭反应有几个原因例如运动学上的影响，或者，当汽车降低速度试着以一个较小的转变半径通过时。然而，实质上的原因，是动力的重心从后轴转移到前轴，这会导致前轴降低滑动角。后轴增加滑动角。因为，后轴车轮不传递驱动力矩，在这种情况下在后轴上的影响比前轴上的影响更大。在节气门关闭之前（如图表10）。前轮上的驱动力不再滚动或者以后制动力，黏性装置汽车这个解释在图表15中。
        如图表15：安装有黏性限制滑动差速器前轮驱动的汽车当转变时关闭节气门后移动立刻产生的制动力
        随着内侧的车轮继续比外侧车轮更慢的转动，黏性联结器给外侧车轮提供更大的制动力。由于前轮力的不同围绕着汽车重量的中心会产生一个抵消正常转向反应的侧偏力矩MCOG.。
        将安装有开式差速器的汽车和装有黏性联结器的在关闭节气门的移动过程中转向方式进行比较时，如图表16和17所示，安装有黏性差速器的两个驱动轮子之间速度差是降低的。
        图表16在转弯半径为40米（不封闭的环形）的湿沥青路面上安装有开式差速器前轮驱动汽车的节气门关闭特性
        如图表17在转弯半径为40米（不封闭的环形）的湿沥青路面上安装有黏性联结器前轮驱动汽车的节气门关闭特性
        安装有开式差速器的汽车侧偏速度（侧偏率），和相对的侧偏角（除汽车保持继续在稳定状态下转弯的侧偏角之外）在节气门关闭后（时间为零如图表14和15）显示一个非常明显的增加。在安装有一个黏性的限制滑动差速器的汽车上节气门关闭后侧偏率的突然增加和相对侧偏角的增加都有很大的降低。
        例如在一个弯道上随着半径的增加，一上正常的驾驶一个超大号的前轮驱动汽车的人通常仅仅的惯常的空档的操纵装置下的汽车操纵方式，然后驾驶员忽然惊奇并且在节气门突然的释放后会有有力的操纵反应。如果驾驶员对情况的反应不正确汽车将进一步恶化汽车离开车道到曲线的内侧的事故是这个事件的验证。因此黏性联结器为一个正常的驾驶员改善节气门关闭的行为方式当保持可控制，可预言的并且安全驾驶时。
6制动影响
        黏性联结器前驱动的汽车没有ABS（制动防抱死系统）在滑动系数为的路面上制动时仅仅具有一个非常小的影响。因此前轮被部分的联结通过低值的一侧的前轮比安装有开式差速器的汽车稍稍高一些。在另一侧，在高值一侧被制动压力锁着的前轮要稍稍的低一些。这些差值可以用一个装有仪器的试验汽车测着但是靠主观的评定几乎是不明显的。前轴和后轴的锁止有持续的行动不受黏性联结器的影响。
        现代提供的大多数ABS能够单独地控制每一个前轮。前轮驱动汽车的电子ABS必须考虑到相当多的在制动之间有效的车轮惯性的差别随着离合器的啮合和分离。
        前轮的部分联结器通过黏性单元不这样因此修改ABS行为的事实已经被无数个实验和几个独立的轿车生产厂家证明。一个理念的希望是这发生在一个滑动系数为的表面上，如果一个侧偏力矩推迟产生或者侧偏力矩降低（YMR）就可以得出ABS控制单元。如图表18所示带有和没有YMR典型的制动压力的有秩序的行动。
        如图表18：装ABS的汽车在滑动系数为的路面上制动时前轮制动产生的制动压力和生成特性
        对于低偏侧惯性和短轴矩的汽车，侧偏力矩的产生可以被推迟从而允许正常的驾驶员有足够的反应时间依靠ABS为高值的车轮降低制动力的产生。尤其在刚开始制动时，因此在高摩擦系数路面上的车轮，在制动状态下和行驶时很少滑移。对比之下，低值的车轮，能同时通过黏性差速器引起速度差产生一个很大的滑移。结果当在高值的车轮上产生抵抗YMR的额外制动力时自锁扭转力出现了。
        虽然这也许会被认为是一个负面影响而且对于一辆安装有前黏性联结器的汽车来说当安装YMR计算程序就能很容易地被修正，但是汽车试验已经证明这个影响是很小的，实际上不需要专门的新的ABS/YMR计算程序的开发。一些典型的求平均的测试结果被总结如图表19。
        如图表19：结果构成了带有YMR在滑动系数为（V0=50mph,三档，闭环）上的ABS自动测试在图表19的左侧显示了在制动过程中有第一个ABS控制循环产生的最大速度差的比较。很明显，黏性联结器减小了速度差。当黏性联结器抵消YMR时，要求操纵车轮角在制动第一秒钟从39度增加到51度保持汽车在直线方向上（图表19，中部）。由于大多数汽车和ABS制造厂家认为90度是达到临界状态的限制，所以这能被接受。最后，在高值的一侧通过黏性联结器产生的一个增加的自锁扭转力。车轮制动力，一辆稍稍的高一些的汽车保持减速（图表19右侧）
7总结
        总之，黏性联结器在前轴差速器的试用能被证实。它也明确地影响整个汽车的控制和稳定，只是稍微地，但是可以接受的在扭转力操纵上的影响。
        为了减小不想要的扭转力操纵的影响一个基本的设计准则被给出：
        1 由于纵向载荷改变产生的警觉反应必须尽可能的小
        2 主销轴线和车轮中心之间的距离必须尽可能的小
        3 垂直弯曲角变化范围应该接近零（或者为负值）
        4 两侧的垂直弯曲角应该一样
        5 侧轴应该等长
        在扭转力操纵上小的影响是联结处的干扰常数不管什么理由这个常数的理想值是零。带有和不带有ABS的制动系统仅仅是黏性联结器不重要的影响。在前轮驱动的汽车上通过黏性的限制滑动差速器牵引力有着很重要的改善。
        前轮驱动汽车独立的转向装置的行动方式在操纵状态的方向下被黏性限制滑动差速器稍稍地影响。在转弯过程中节气门关闭和加速改进的反应使前轴安装有黏性联结器的汽车更稳定，更可预见而且更安全。