差速器

差速器（Differential）的發明，是因為在汽車於轉彎時，外側輪子走的路徑要比內側輪子走的路徑要大，所以如果汽車想順暢和精確的轉彎，便需要一個裝置能夠轉換和允許內外側車輪以不同的速率進行旋轉，從而以不同的轉速來彌補距離的差異。

• 普通的差速器內部是一種行星齒輪機構，其中包括兩個行星齒輪和兩個與傳動軸相連的半軸齒輪，這四個齒輪配置在差速器的一個內部殼體內，並且相互之間互相咬合在一起，每個齒輪都咬合著另外兩個齒輪（每個半軸齒輪都咬合兩個行星齒輪，而每個行星齒輪又咬合兩個半軸齒輪），所以只要其中一個齒輪轉動，勢必會牽動其他三個齒輪一同轉動，而其中一個半軸齒輪朝某個方向轉動時，另外一側的半軸齒輪勢必會向反方向旋轉，這個現象可以通過實驗證明，當把車輛的兩個驅動輪懸空，轉動一側的車輪向一個方向旋轉勢必會使另一側的車輪往反方向旋轉。
• 差速器在車上的第一項工作，就是負責「轉換傳動軸的力量」，傳動軸（driveshaft）的尾部有小齒輪（pinion gear褐色），連結著齒圈（ring gear藍色）帶動左右輪同時同步旋轉，讓力量可以90度旋轉，進而帶動兩邊的輪子往前，這時就完成第一項工作，將兩邊的輪子同步滾動。
• 汽車差速器是由左右半軸齒輪、兩個行星齒輪及齒輪架組成的一種裝置。
• 汽車發動機的動力經離合器、變速器、傳動軸，最後傳送到驅動橋再左右分配給半軸驅動車輪，在這條動力傳送途徑上，驅動橋是最後一個總成，它的主要部件是減速器和差速器。
• 汽車差速器功用是當汽車轉彎行駛或在不平路面上行駛時，使左右車輪以不同轉速滾動，即保證兩側驅動車輪作純滾動運動。

差速器在汽車上扮演什麼樣的角色

• 差速器在車上的第一項工作，就是負責「轉換傳動軸的力量」，傳動軸（driveshaft）的尾部有小齒輪（pinion gear褐色），連結著齒圈（ring gear藍色）帶動左右輪同時同步旋轉，讓力量可以90度旋轉，進而帶動兩邊的輪子往前，這時就完成第一項工作，將兩邊的輪子同步滾動。
• 讓我們想像一下汽車在轉彎時會遇到的狀況，轉彎時外側的輪胎會比內側輪胎行駛的路徑更長，因此外輪比內輪更需要快速旋轉，以不同的速度才能穿越彎道，如果兩個輪胎都轉的一樣快，此時外輪會起主導作用，使內側輪旋轉速度過快，造成不必要的磨損，進而導致過彎速度降低，這時候就帶來了差速器的第二項功能，讓左右輪用不同的速度轉動！
• 差速器的第二項工作：控制左右輪的輪速; 上述問題讓差速器有了第二個任務，控制左右輪的速度。讓車子在必要時，能讓輪胎以不同速度旋轉，這個做法就是在差速器裡面，多裝了一個星型齒輪（a spider gear紫色），使它與原本的齒輪進行交互轉動。星型齒輪固定在齒圈（藍色）上，會隨著齒圈轉動而在左右兩個車軸上的齒輪（axle gears綠色、紅色）之間旋轉。
• 當汽車在直線行駛時，星型輪本身不會產生旋轉；當汽車在轉彎時，例如向右轉時，星型齒輪自身便會轉動，並以兩種方式向齒軸（axle gears）施加旋轉力，齒軸會先帶動星型齒輪，如星型齒輪向左轉，會加快左側齒軸旋轉速度，而同時減少右側齒軸的旋轉速度，最終使左輪轉動得更快，如此一來，轉彎速差問題就解決了！
• 開放式差速器的缺點--如果每個輪胎的抓地力不同時，就會產生問題。
  • 假設賽道右側有很多的油污，造成右側輪比左側輪更滑，意味著當車輪傳遞動力時，左側的牽引力會大很多，使得左輪比右輪承受更多更大的阻力，讓沒有抓地力的右側輪瘋狂空轉，導致車輪打滑。
  • 如果賽道上有水，或是壓到草地等等，也都會發生上述狀況，導致失控的狀況發生！
• 該如何解決--當汽車在急轉彎時，我們會稱外側車輪為負載車輪（the loaded wheels），因為汽車重心會移至外部，導致外側輪產生比內側輪更多的阻力，代表內側輪失去阻力，造成動力不斷推往內側輪，外側有抓地力的輪子卻沒有動力，就像踩到油一樣的狀況。
  • 因此F1賽車和多數賽車性能賽車，都具有一種「限速差速器」（limited-slip differential，又稱LSD）。
• 這是一種改良過的差速器，此種差速器可以按比例調整自身，在兩個齒輪完全打開和鎖定之間，當一個輪胎的牽引力下降時，限速差速器會開始鎖定齒輪，讓動力可以傳輸到有抓地力的那顆輪胎上。
  • F1賽車使用電子液壓系統（Electronic Hydraulic System），意味著行車電腦已經預先編程過，能相應地鎖定差速器，防止過多的功率流向一個輪胎。
  • 當差速器設定為零時，在直線行駛時會打開，過彎時則會鎖定，確保都在駕駛想要的速差下！
• 哪些因素會影響限滑差速器？--除了不同磨耗係數的輪胎、差速器本身的磨損程度，甚至是賽道的不同條件，如高低溫、潮濕、乾燥等，都是影響限滑差速器作動的關鍵，因此F1的技師需要相應地去調節差速器的靈敏度，才能完整發揮差速器的效果！

差速器原理與功能作用

• 汽車在拐彎時車輪的軌線是圓弧，如果汽車向左轉彎，圓弧的中心點在左側，在同樣的時間外側的車輪走過的路徑比內側的路徑要長，如果左右兩個車輪之間是直接剛性連接，將使外側車輪在滾動的同時產生滑拖，而內側車輪在滾動的同時產生滑轉。
  • 即使是汽車直線行駛，也會因路面不平或雖然路面平直但輪胎滾動半徑不等(輪胎製造誤差、磨損不同、受載不均或氣壓不等)而引起車輪的滑動。
  • 車輪滑動時不僅加劇輪胎磨損、增加功率和燃料消耗，還會使汽車轉向困難、制動性能變差等不利的駕駛因素發生。
  • 為了平衡車輪的轉速差異，實現汽車的轉彎時左右的輪速差，讓內部的車輪慢一點，外部的車輪快一點，所以才發明了差速器，顧名思義，就是讓兩側車輪產生轉速差的器械。
  • 早在一百多年前，法國雷諾汽車公司的創始人路易斯.雷諾就設計出了差速器。
• 差速器的構成--普通差速器由行星齒輪、行星輪架(差速器殼)、半軸齒輪等零件組成。
  • 經過變速箱的動力經傳動軸進入差速器，直接驅動行星輪架，再由行星輪帶動左、右兩條半軸，分別驅動左、右車輪。
  • 差速器的設計要求滿足：(左半軸轉速)+(右半軸轉速)=2(行星輪架轉速)。
  • 當汽車直行時，左、右車輪與行星輪架三者的轉速相等處於平衡狀態，行星架的而在汽車轉彎時三者平衡狀態被破壞，通過行星架的自轉實現內側的車輪轉速速減小，外側輪轉速增加。
• 差速器的原理--差速器中的行星架通過自轉動來實現車輪之間的平衡，這其中就涉及到「最小能耗原理」，也就是地球上所有物體都傾向於耗能最小的狀態。
  • 舉個例子就是把一粒豆子放進一個碗內，豆子會自動停留在碗底而絕不會停留在碗壁，因為碗底是能量最低的位置(重力勢能)，它自動選擇靜止(動能最小)而不會不斷運動。
  • 同樣的道理，車輪在轉彎時也會自動趨向能耗最低的狀態，自動的按照轉彎半徑調整左右輪的轉速。
  • 當直線行駛的時行星架就會自動靜止不轉。

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