上帝之手拨动汽车的轮子


汽车为什么会拐弯?您一定会毫不犹豫地回答:是我扭动了方向盘。

其实,方向盘的转动只是改变了转向轮的轴线的方向。要真正实现拐弯,还要使左右两边轮子的速度同时发生变化。如果向右拐,左边轮子就要跑快一点,向左拐,右边的轮子就要跑快一点。拐弯的半径越小,两轮的速度差就要越大。我们知道,汽车发动机只有一个,如何按照需要把动力分配到不同的轮子上?答案似乎出于您的意料:是上帝的手。这个上帝就是自然规律,他时时刻刻在拨动您的车轮,在需要的时候让它改变速度。

自然规律只是一种存在,要把它引入为我们服务,就要设计一种方式,让上帝的手伸进来。

在"奇妙的行星齿轮"一文中,我们谈过,在包含行星齿轮的系统中,互相啮合的齿轮之间的关系可以有多种组合。其中的一种就是动力从行星架输入,分两路从两个太阳轮输出。这就是驱动桥差速器的原理。其中的两个太阳轮一左一右与两个轮子分别相连。

例如,我们把行星架与两个太阳轮的速度设计成满足 n1 + n2 = 2×n3 这个关系,其中n3是行星架转速,就是从发动机经变速器和驱动桥减速器减速器之后到达差速器的转速;n1和n2分别是两个太阳轮的转速,也就是两个轮子的转速。如果在修理间支起汽车,用手转动一侧驱动轮,另一侧会以相同的速度朝相反的方向转动。这是因为此时发动机的转速为零,行星架的转速也为零,即n3=0;两条半轴的转速必须大小相等方向相反(n1 = - n2),代数和才能等于零,从而满足 n1 + n2 = 2×n3 = 0。

发动机的动力经变速器、减速器来到行星架上,如果此时汽车直线行走,两边轮子的阻力就相等,消耗的动力也相等,此时n1=n2,根据n1+ n2 = 2×n3 这个关系,两边轮子的转速与行星架是相同的。如果车子正在转弯,内侧的轮子阻力就大于外侧,功率就会往外侧输送得多一点。这是自然规律在起作用,这个规律称为最小能耗原理,就是自然界任何系统都趋向于消耗能量最小的状态。

现在我们明白了,由于驱动桥两侧轮子分别与两根半轴相连,两根半轴分别通过两个太阳轮与行星轮啮合,预备了三条转速可能不同的轴,才使上帝能够有所作为。

算一算:如果轴距是2米,向左转弯的半径是10米,左边轮子的轨迹半径是9米,右边轮子的轨迹半径是11米,左右轮子的转速比就是9:11,如果此时输入行星架的转速是每秒5转,则左侧轮子的转速是每秒4.5转,右侧轮子是每秒5.5转,满足4.5+5.5=2×5的关系。

小测验:如果轴距是2米,向右转弯的半径是15米,则

左边轮子的轨迹半径是 米,

右边轮子的轨迹半径是 米,

左右轮子的转速比就是

如果此时输入行星架的转速是每秒 7.5 转,

则左侧轮子的转速是每秒 转,

右侧轮子是每秒 转。             

车汇通(2002年1月17日)

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