毫无用处的汽车知识 篇十一：汽车里一些好玩的机械设计

这一期继续说一点技术的内容，机械设计在汽车工业中有很多闪光点，有的思路堪称天才，有的重剑无锋，因篇幅所限这里简单列举几个。

拖森差速器

之前奥迪弃用托森差速器闹得沸沸扬扬，然而一问托森有啥好，托森什么原理？八成答不出给所以然来，总之你不用就是有问题。

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介绍托森之前还希望大家先看一个30年代的汽车科普，搞明白差速器的原理。

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其实老祖宗早在指南车上就已经用上差速器了。不是什么新鲜玩意。
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正如开放式差速器为了应对两轮不等速情况而出现，其缺点也体现在两轮不等速的极端情况，即一轮完全失去阻力，也就是处于空转状态，则输入轴的动力完全输入至空转的轮子。

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如此一来万一碰到个雪地冰地沙地泥地或者排水沟，开放式差速器就完全失去了脱困额能力，于是带锁的差速器就诞生了，当一个轮子打滑时可以强行锁住差速器，将其变为刚性轴，这样就可以脱困了。为了锁止差速器，工程师们开发出各种锁止方法，比如牙嵌离合器，多片离合器，粘性联轴器等等方法，统称为限滑差速器。

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而越野车为了应付更极端的工况，会视情况配置3把差速锁，分别锁止前轴，后轴，和前后轴，如果三把锁全开，车子基本就丧失了转弯能力(会拉跨的，233)

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所以对于非硬派越野车来说需要一种更智能的限滑差速器，可以判断是转弯产生了滑动还是一侧轮子打滑产生了滑动。随着电控技术的发展，电控式多片离合器成为一种主流方案。然而还有一种方案可以被称之为“差速器的登峰造极之作，齿轮设计皇冠上的明珠”，这就是托森差速器。

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托森差速器由美国机械设计大师Vernon Gleasman发明。

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其实托森差速器早在1955年就被设计出来并在1958年获得了专利。然而托森差速器一直是处于一个纸面上的状态
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直到1987年才真正出现了托森差速器的实物。由著名的齿轮机床厂家gleason制造。一度被称为gleason's impossible differential。

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这主要是由于托森差速器的齿轮加工难度实在太高了。熟悉机加工的应该知道螺伞齿轮只有格里森式和克林贝格式2种，作为能冠名一种齿轮标准的厂家之一，gleason也用了30年时间才开发出可以加工托森差速器的齿轮的方式，可见其加工难度之大。

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这其中的主要原因，应该说是托森的蜗轮蜗杆组件和我们认知的蜗轮蜗杆是反直觉的，看起来像蜗杆的实际上是个涡轮，看起来像涡轮的实际上是个蜗杆。托森差速器正是利用蜗轮蜗杆的单向驱动性巧妙的根据扭矩进行锁止。(不理解单向驱动的，可以找个活扳子玩一下，拧下面的蜗杆可以调开口，但是推拉开口是无法带动蜗杆的。)
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关于托森差速器的具体原理，可以看一下这个视频。

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如果能理解，那就理解了，如果理解不了那也没什么办法，还请多看几遍视频，理解一下一侧打滑和两侧自愿产生转速差时的完整驱动路径。


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以上原理和视频都是基于托森A型的，这也是最原始的托森差速器设计，引用wiki的介绍“托森式限滑差速器是一种全自动纯机械式的限滑差速器，非常可靠耐用，并且反应迅速，从某些角度来说，是一种非常均衡的设计。其能够在非常短的时间里对驱动轮之间产生的扭矩差提供响应，调整扭矩输出以解决轮差的问题，而且锁止特性也非常线性，并且能够在一个相对广泛的扭矩范围内进行调节，而不受到差速器壳结构空间的影响而限制作用的发挥。”，相对于理中客的wiki，这样的言论已经夸上天了，然而托森差速器的扭矩感应，瞬间锁止，确实是冠绝群雄，更难能可贵的是这是一种全自动的纯机械式控制方式。托森a型现在已经基本不生产和使用了，远古奥迪，辉腾等用的是这一款。A型可以用于虽然前中后差都可以使用，但是实际只使用在中后差上，超跑也有将其作为中差使用的。

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现在主推的B型托森，采用了紧凑的平行齿结构，并加入了摩擦片，自锁能力除了弧齿摩擦力之外还由摩擦片提供，86和brz使用的就是b型托森，B型也可以用于前中后差，但是一般用于紧凑型后驱跑车或者高性能越野车的中差。
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托森C型是一种用于分配前后不等扭矩的托森结构，因为内外不等大所以只能用于中差，普拉多，陆巡基本采用这个结构。这种结构也被称为紧凑型C型

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相对的还有另一种C型，一般称为常规C型，将行星轮正反两面安装，承受的扭矩更大一些，有点像托森B型，但是依然只能用于中差，C7代A6和基于它的辉昂就是用的这款。

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托森品牌说起来也算得上颠沛流离。之前说过托森差速器自打发明之后一直做不出来，直到gleason公司成功生产出来并安装在了悍马上。90年gleason将动力传动加工部分分离出去卖给了日本的Zexel公司，2000年zexel-gleason又被博世收购。

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2003年博世又把这部分业务卖给了丰田工机(toyoda，即丰田的机床部门独立公司),而丰田工机又和光洋精工(koyo，挺厉害的，把铁姆肯(timken)的滚针轴承部给收了)在2006年合并为jtekt捷泰格特公司。其在北美的部门依然使用托森的商标。
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那么问题来了,为什么奥迪现在不用托森了呢？虽然托森现在和丰田有千丝万缕的关系，但是依然是一个可以向所有汽车品牌供应产品的有一定自主性的公司，显然是奥迪自己选择了不用，就如同电子助力替换液压助力，电子悬架替代机械悬架，自动挡替代手动档，对于一个城市suv来说并不需要托森这样硬核的“纯机械”式产品，奥迪希望在四驱种增加更多的自主控制能力，更自由的进行前后扭矩的分配。另一方面四驱供应商由麦格纳替代了瀚德，电控产品整体重量比托森轻，2驱状态下差速器壳体和传动轴也不会空转，节能减排。

安全带

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说起安全带，如果有点了解的或者被沃尔沃洗脑过的应该会说除nils bohlin这个名字，没错正是他1959年将三点式安全带作为标配推广到了沃尔沃汽车上。
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他的专利，也可以说得上是现代汽车安全带的鼻祖。这外形基本和现代安全带没什么区别了。

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然而实际上比他早的安全带专利也是有的，只是因为不方便没有人用。

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而第一个选配安全带(不方便版本)的是纳什汽车公司，第一个标配安全带(不方便版本)的是同为瑞典公司的saab 750gt。

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当然这并不改变nils bohlin的伟大地位，而为了提高安全带的安全性，于是3项现在几乎所有车都配备的改进机械结构出现了。分别是安全带紧急停止功能，安全带限力机构，和安全带预紧器。


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首先是最基础版的紧急停止功能，你应该注意到过安全带慢慢拉可以拉出来，用力快速拉的话会卡住。这一版通过离心离合器实现。或者上上图那样旋转离心后齿轮变大卡住外边框，都是一样的原理，大同小异。

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还有一些车型配有翻滚/限力停止，例用一个摆锤控制棘轮，表现为有些车型在大g力转弯时安全带也拉不动。

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这两样机构保证了车在碰撞或翻滚时，安全带被锁定停止不可以拉出，那么如果碰撞力极大，安全带岂不成了夺命锁？于是第二种升级机构出现了，安全带的转轴附带一根扭力杆，当安全带转轴棘轮被停止，拉出力又非常大时，安全带依然可以拉出一些，并且阻力会逐渐变大，避免因安全带造成人员受伤。

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但是这还不够，安全带系的松松垮垮的造成的危害更大，这也是系安全带系好之后要反向拉紧一下的原因，但是总有人会拉不紧这颗怎么办呢？于是就出现了第三种机构，预紧式安全带。主要有这样的拉索式
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拉索式日系厂家用的多一些，接收ecu信号后点爆，拉回钢索带动安全带收紧。
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还有一种欧美常用的钢球式的，通过点爆气体推动钢球冲击棘轮收紧安全带。

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这两种预紧装置都是一次性的，用了就废，比较贵。

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于是现在还有最高级的电动式预紧，除了提供碰撞保护之外还可以在驾驶时施加不同的安全带收紧力(比如急刹车，急转弯)，提高驾驶舒适性。
正式这样一代一代的补丁，奠定了安全带这一汽车最重要安全装备的法定地位。

门铰链和敞篷

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先来说说敞篷。首先，敞篷机构就是很帅的，这个没商量。

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各种各样的敞篷方式，尤其是自动的，像变形金刚一样特别炫酷。
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一直做梦想买一台mx-5，可惜家里有两脚吞金兽，本来想今年去欧洲玩租一辆爽一把，疫情闹得也去不了。敞篷机构的设计制造厂家主要有American Specialty Cars，edscha，webasto，CTS Fahrzeug-Dachsysteme等等，现在爱德夏卖给了伟巴斯特，cts卖给了麦格纳，还有日本的toyo seat等等不到十个厂家，充分显示出敞篷车市场的惨淡。

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敞篷车有一个非常重要的功能，就是rollover protection system/structure，倾覆保护。因为暴力驾驶车辆翻个的情况下，光靠a柱是顶不住整个车的，头部撞地基本没活路，所以从后排会有两个柱子支住车子保护成员头部。
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最早这一系统采用爆炸式的，最初见于沃尔沃c70(瑞典人太注重安全了，是有多怕死)，兰博基尼之类的也有用。这种的缺点是炸一次就要大修，而且不管敞不敞篷都炸，本来好好的车顶也可能炸没了，不过既然你车都翻个了，也不差修这一点。

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后来德系厂家使用一种弹簧式，检测到翻滚后解锁防翻敢，弹簧顶出后卡口锁死。


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大概长这个样子(大众eos的)，这种的好处是好修，便宜，按回去就得了，缺点是弹簧不如炸药来的快。不过在钱重要还是命重要的选择提前，大部分厂商似乎还是选择了钱。反正你买敞篷车厂商一般也不会告诉你有这个东西。

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然后再说说铰链。之前我们提到过的爱德夏主业就是做铰链的。现在把敞篷事业部卖给了韦巴斯特，成功进行了强强联合，要知道世界上70%的天窗都是webasto生产的，而爱德夏占了铰链半壁江山，也算是各取所需。
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铰链限位器现在常见的都是拉杆式,基本就是一个有几段凹坑的杆，配合一个两边有弹簧的夹块。

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以前大众用过这样的扭杆限位，但是因为结构复杂，成本太高，现在已经不用了。
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这种门铰有说法是爱德夏的专利，不过我没查到，件号也是大众自己的打着大众的logo，不是很清楚来源，不过这种教练设计倒是非常巧妙，一个扭杆弹簧和2/3/4个凸轮卡块配合，带来清晰的段落感和无穷的寿命。缺点嘛，就是贵。

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大众“厚重感"的车门其实也跟这种铰链选择有关系。然而并不是越厚重的铰链就越厉害，车门站人这种营销诡异而搞笑。
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我们又不是印度。。。不需要这样给自己加戏
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实际上在gb15086汽车门锁及车门保持件性能的国标里对门铰链有强制要求。虽然我没学过结构力学，不过车门上站了人，两个铰链一个受拉力一个受压力，怎么看站仨人也不会炒股过11000牛和9000牛，所以这方面可以放宽心，合格的车铰链都能顶得住，除非车门铁皮不行。。

本田机械4轮转向

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本田粉可以开始欢呼，又点你们的钟了
说起四轮转向，已经不是什么新鲜东西了，因为阿克曼角的缘故，如果四个轮子都能旋转的话转向会更顺畅一些。早在1907年已经开始有拖拉机使用全轮转向系统了。

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如今在工程车辆，大型卡车上全轮转向也是很常见的，大同小异，见怪不怪。
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但是在乘用车上最早可以追溯到大G的祖宗，奔驰的Geländewagen w152 type G5.

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可以看到着后轮转向，其实跟工程车也差不了多少。


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之所以这么说，主要原因是对于全轮转向，乘用车的需求显然更高一些，低俗状态时我们希望前后轮朝相反的方向转动，以缩小转弯半径，在高速行驶时希望前后轮朝相同方向转动，以获得变线时更平顺和稳定的操作性。
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相对于在后轮增加复杂的转向系统，很多厂家选择通过例用现有的abs+esp系统组合出电控的坦克调头模式减小转弯半径，这样做非常简单省成本，但是无法获得高速操控的稳定性提升。

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也有一些厂家选择采用被动式后轮转向，也可以叫做随动后轮转向的方式获得高速行驶和急变线时的稳定性，比如雪铁龙的programmed self-steering system，其实就是两个胶套的事。保时捷也用过这样的技术。
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真正意义上的可控角度主动式全轮转向，依然是雪铁龙的拉力赛车，土场吸奖器不是盖的，不过在民用领域最早开始使用的是80年代末的日系厂商，本田4ws，马自达,尼桑的hicas,分别代表了机械，电控，液压三个方向，均为自主开发，而美系车型直到2000年后才买到了delphi(德尔福)的Quadrasteer，但是一套选择七八千美元的价格实在是有点贵。

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2010年前后，因为供应商的大力开发，以ZF+TRW(这俩合体了)，博世，德尔福三家为主的全轮转向产品开始在各种车型上装配，现在不需要花很多钱，30万级别的ct6就可以买到全轮转向的配置。技术的白菜化真是很快很exciting。

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与历史上所有的主动式全轮转向不同，本田使用了一个很神奇的纯机械式的设计，最初应用在prelude(序曲)第三代车型上作为选装，其设计之简洁，原理之精妙，堪称gennius。

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我们知道，悬挂是一个牵一发而动全身的东西，看起来挺简单的几根连杆几个胶套几个弹簧，背后代表着数十个参数，最恶劣的工况，最高强度的要求，同时还有经济性和维修性的要求，让后轮也提供专项功能无异于让设计人员的工作加倍，甚至加两倍，要知道后悬挂位置还有排气管，空间也是个大问题。
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1980年初，本田着力于解决高速行驶时的安全性和车辆动态稳定性问题，认为FF车型只有俩轮子转向是很浪费的，于是当时的技术头子佐野和古河川俩人开始研究怎么在汽车上搞这么一套玩意。他们非常开心的发现在芝浦工业大学已经有一组现乘的台架试验模型了，可以轻松的调整悬挂参数，收集车辆在各个速度下悬挂不同状态的数据，得益于芝浦工大的数据协助，四轮转向技术研究非常顺利。
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1981年4月本田和芝浦工大合作的4ws项目在铃鹿赛道西段进行了测试，测试车辆是由两个雅阁车头焊接在一起改造的，转向系统连杆由芝浦工大的学生手工制作。测试结果非常喜人，4ws项目正式从理论研究进入产品开发阶段。

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有别于当时同样开发类似系统的马自达和日产，本田的技术非常简单粗暴，没有电控没有液压，只有简单而巧妙的机械结构，便宜，简单，结实，耐操，好维修，充分体现了less is more的美感。

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这套系统的理论可以说另辟蹊径，与传统的后轮转向方向按车速划分不同，这套系统采用了角度关联的方式，即需要缩小转弯半径的场景一般发生在移库倒库调头等操作中，方向盘一般都会打240度以上至打满，而高速行驶转弯或变线时方向盘转动幅度很小，所以后轮的转向角度可以和前轮的转向角度挂钩。

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通过一个齿圈+小行星论，双曲柄的设计，实现了当方向盘的转向角度较小(小于120度)之时，后轮与前轮处于同相位随动；当方向盘正好处于120度的转向角度之时，后轮达到同相位的最大角度；若方向盘转向角度超过120度，后轮则开始向着与前轮相反的方向转动；当方向盘角度达到240度之时，后轮则正好回正；此时方向盘角度如果继续增大，后轮则会向着逆相位偏移直到方向盘打满。
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最终实现的就是这样的效果，作为新生事物4ws甚至在本田内部都不太招人待见，本田不得不组织了内部员工试乘试驾，感受4ws的威力，并且在媒体宣传中进行了大量“恶意实验”，以证明系统的可靠性。不过最终4ws系统并没有服役太长时间，随着电控系统的进步，本田最终还是投向了电控前束角系统的怀抱，使用了Precision All Wheel Steer这套系统。纯机械的全轮转向也成为汽车史上的昙花一现。