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作者:徐業良(2014-02-16);推薦:徐業良(2014-02-16)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2014年三月號,史丹福專欄。

淺談四輪驅動基本原理

今年寒假只有短短三個星期。女兒的寒假更短,高中一年級第一個學期就開始有「寒輔」,三星期的寒假又被關在學校上課一個星期。「行百里路勝讀萬卷書」,每年寒暑假安排的國外旅遊還是不能少,年初三便帶著女兒出國,來了一趟六天四夜的杜拜之旅。

一定有不少讀友到杜拜觀光過,杜拜整個城市就是一座沙漠中的海市蜃樓,許多觀光景點都是人工建造的,像是世界第一高的哈里發塔、規模驚人的Shopping Mall、伴著張學友「吻別」的水舞、世界最大的人工島、七星級的帆船飯店和亞特蘭提斯

不過我和女兒最喜歡的杜拜旅遊經驗,還是有一天下午報名當地的旅遊行程,搭乘四輪驅動休旅車到真正的沙漠當中「衝沙(sand surfing)」。司機兼導遊是一位不太搭理人的阿拉伯大酷哥,穿著全白的阿拉伯長袍加頭巾,戴副墨鏡卻打著赤腳,開了一部Toyota Land Rover四輪驅動車,到飯店來接包括我和女兒在內的六個遊客。

杜拜向東高速公路沒開多久,便是大海一樣一望無際的沙漠,各個飯店載來的觀光客集結在一座小型休息站,閒晃一下看看沙漠動物和沙灘摩托車之後,阿拉伯大酷哥便吩咐大家上車繫緊安全帶,五部Land Rover小車隊就往沙漠裡直開進去。

雖然沒有真的海浪,但在起伏不定的沙丘上開車衝沙,感覺真的像衝浪一樣。好吧,我從來沒衝浪過,應該說感覺像坐雲霄飛車,上下左右巔簸不停。但是雲霄飛車再可怕,捱個兩分鐘也就過去了,這段「衝沙」一口氣衝了二十幾分鐘,我和女兒被塞在休旅車最後一截車廂,女兒還好,我可真的快吐了。好不容易車隊在一座沙丘上停下來,讓遊客下車休息一下,用一望無際的滾滾黃沙為背景照幾張照片。大酷哥也拿出一個氣壓噴嘴,把輪圈、輪胎、剎車裡裡外外都噴了一圈,清除沾滿的黃沙。

阿拉伯大酷哥可能發現我臉色蒼白,再上車時便調整了座位,把我和女兒拉到前面來。我坐在駕駛座旁邊不但舒服許多,也更能欣賞大酷哥開車衝沙的絕技,體會四輪驅動車的功能。擋風玻璃看出去是一片滾滾黃沙加上起伏不定的沙丘,大酷哥卻似乎都能「看出一條道路」,左彎右拐沿著沙丘比較硬實的邊緣前進;要越過橫陳前方的沙丘時大酷哥也都能當機立斷,赤腳油門一催引擎扭力上來便輕騎越過。車隊中有一部車不知是路線判斷失誤還是爬坡時扭力催得不夠,還是整部四輪驅動車掛在沙丘上前後動彈不得。另一部車的司機趕緊拿出拖吊器材幫忙,我們的大酷哥則是站在一旁用聽不懂的阿拉伯文嘲笑他的同事。

OK,遊記寫太長了些,這個月史丹福專欄只是想藉題發揮-我當然沒本事衝沙,但還是可以紙上談兵,和大家討論一下四輪驅動車的基本原理。

您的房車通常是前輪驅動,引擎動力只要傳送到兩個前輪就好。四輪驅動系統的主要工作,則是把單一引擎動力源的動力適當地傳送、分配到四個車輪,適合越野、雪地、甚至冰上行駛。四輪驅動的型態很多,有的車廠用的名稱是「四輪驅動(four wheel drive, 4WD)」,指的應該是可以在兩輪、四輪驅動切換的系統,如果車廠用的名稱是「全輪驅動(All wheel drive, AWD)」,指的應該是全時四輪驅動,可以在所有型態路面上行駛,而且通常無法切換。

四輪驅動系統設計上最重要的目標,便是能夠適時傳送最適當的扭力到每個輪子。甚麼是「最適當的扭力」?最適當的扭力指的是不致讓輪胎打滑的最大扭力,這裡得要從「循跡力(traction)」的概念談起。

引擎輸出扭力經過傳動系統的齒輪減速機放大(一檔到五檔不同檔位放大比例不同),再經過差速器把引擎扭力分配到左右車輪上。引擎輸出扭力大時起步加速快、爬坡力道強等等,但一個重要的概念是,能用來推動汽車的最大扭力往往並非取決於引擎輸出,而是取決於輪胎與地面摩擦力的大小。您家的房車即使裝上了方程式賽車的大扭力引擎,如果輪胎沒有辦法牢牢抓地,引擎再大的扭力輸出也派不上用場。

所謂「循跡力」簡單的說就是路面施加於輪胎的最大滑動摩擦力。引擎輸出軸的扭力大小乘上輪胎半徑,就等於輪胎施加於路面的力,正常狀況下輪胎施加於路面的力小於這個最大滑動摩擦力(循跡力),因此輪胎可以沿著地面正常滾動而沒有打滑;如果引擎輸出扭力太大,輪胎施加於路面的力大於循跡力,車輪便開始打滑,輪胎施加於路面驅動汽車的力立刻大幅下降到幾乎是零,引擎有再大扭力輸出也派不上用場。除了引擎扭力太大會造成車輪打滑之外,過彎時的離心力使得輪胎會橫向施力於路面,如果這個橫向力大於輪胎循跡力的話,也會造成汽車橫向打滑。

OK,循跡力是一種摩擦力。國中物理就教過摩擦力基本原理,循跡力大小和壓在輪胎上的重量有關,重量越重,循跡力越大。汽車行駛過程中重心可能會移動,例如轉向過程中重量會移往外側輪,當車子加速時重量會移往後輪,所以四個車輪的循跡力大小(容易打滑的程度)都各有不同。

每個輪胎循跡力大小也和路面和輪胎表面的磨擦係數有關。例如方程式賽車輪胎在乾燥、堅實的路面上行駛時,摩擦係數相當大,這也是為什麼方程式賽車大扭力起步、高速過彎都不會打滑。然而因為方程式賽車用的是光頭胎,沒有排水溝槽,在積水的泥濘道路行駛時輪胎就好像浮在水面上一樣,摩擦係數幾乎等於零,當然也完全沒有循跡力,稍踩油門輪胎就會打滑。相對的,一般越野車採用大型、深溝的輪胎,在泥濘路面行駛時能有良好的排水性,仍然能保持很高的摩擦係數,不易打滑。

您如果是在柏油路面規矩開車的車主,大概不需要擔心循跡力的問題,您離超越可用的循跡力應該還遙遠得很,也不見得需要4WDAWD的車子。但如果需要在在低循跡力的路面開車,像是雪地、泥濘路面或杜拜的沙漠,四輪驅動車的優勢就十分明顯。如前所述,引擎大扭力在低循跡力的路面開車反而用不上,傳送到單一車輪扭力一大便會打滑,因此二輪驅動車兩個輪子的驅動力往往不足以推動車子前進,四輪驅動車四個輪子都有扭力可用,比二輪驅動車多出一倍的驅動力來推動車輛;此外行駛過程中如果有一輪或甚至兩輪打滑失去循跡力時,還有其他輪子仍然有扭力,能夠帶著車子脫離困境。

四輪驅動系統要能適時傳送最適當的扭力到每個輪子,一個很重要的元件是前輪和後輪兩個差速器(differential)。差速器的功能顧名思義,便是要讓左右兩輪能以不同的速度轉動,最常見的例子是當汽車轉彎時,靠內側車輪轉速較慢、靠外側車輪轉速較快,這個轉速差便要靠差速器內齒輪組的作用來達成。從另一個角度來看,這個左右差速的作用其實也就是在做引擎扭力的分配,兩側車輪藉由差速器作用獲得不同的扭力。除了左右側輪之間的差速器之外,四輪驅動系統前後輪軸之間也有中央差速器(central differential),通常是一具採用液壓式的黏性耦合(viscous coupling)原理的傳動箱(transfer case),容許前後軸有轉速差,也因此可以依照需求分配不同的扭力至前後軸。

稍微整理總結一下四輪驅動系統的機械構造。引擎輸出經由傳動軸連接至傳動箱,在傳動箱內以黏性耦合的方式將引擎輸出扭力做適當分配後,再分別經由前輪驅動軸和後輪驅動軸傳送到前輪、後輪差速器;前、後輪差速器內的齒輪組的動作,將扭力轉動方向做90度轉變,傳送到左、右側輪,同時再次把扭力做適當分配。

這些機械式的裝置之外,現代的四輪驅動系統也常整合一些先進的電子裝置,期望更適切地根據路況需求進行扭力分配,能夠充分利用四輪有限的循跡力。四輪驅動系統經常看到的是結合ABS剎車功能的剎車循跡控制(brake-traction control),行駛過程中感測到車輪因為循跡力降低開始打滑時能自動施加剎車,讓車輪恢復循跡力;另一些先進的四輪驅動系統則是應用電子控制離合器,感測四輪循跡力及打滑狀況,來控制四輪的扭力分配。

電動車的時代,四輪驅動系統的發展技術上也會做個大轉彎。目前電動汽車還是只有一個電動馬達,或是馬達、引擎混合的動力源,還是需要靠傳動系統將動力分配到車輪。最新的個別車輪驅動(Individual Wheel Drive, IWD)的概念,每一個車輪是由一個電動馬達獨立控制,個別車輪扭力輸出控制能夠更精準、更有彈性,而且完全不需要複雜的機械式傳動系統。

到杜拜衝沙親身體驗,回家也複習一下四輪驅動原理,我也學習不少呢!