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限滑差速器（Limited Slip Differential，簡稱LSD）是汽車傳動系統中一項關鍵技術，可以改變車輛轉彎時驅動的外圈和內圈的轉速。改善車輛在不同路況下的牽引力和穩定性。提升彎道性能。
當轉彎一定角度時，內外環繪製的軌跡半徑不同。自然地，外圈必須比內圈行進更長的距離，並且必須旋轉得更快。否則（在相同的速度下），內圈會打滑並消耗過多的旋轉，從而無法順利轉動。簡而言之，差速器是一種為驅動輪提供旋轉差異的機構。
傳統的開放式差速器（Open Differential）雖然允許車輪以不同速度轉動，但當一側車輪打滑時，會將大部分動力傳遞至該側，導致另一側車輪喪失牽引力。限滑差速器則透過限制這種滑差，確保動力更均衡地分配至兩側車輪，從而提升車輛的操控性和安全性。
限滑差速器廣泛應用於賽車、越野車及高性能車輛中。其發展歷史可追溯至20世紀初，隨著汽車工業的進步而不斷演化。本文將詳細探討限滑差速器的歷史里程碑、時間段，並分別介紹碟式（Clutch-Type）和齒輪式（Gear-Type）兩大類型。文章將包含時間線圖表，以展示重要發展階段。限滑差速器的演進不僅反映了工程技術的創新，也推動了汽車產業的進步。透過深入剖析其結構、工作原理、優缺點及應用，我們可以理解這項技術如何從賽車領域擴展至日常車輛，並在電動化和智能化時代繼續發揮作用。
限滑差速器的基本原理建立在摩擦力和齒輪機構之上。當車輛行駛於直線時，兩側車輪轉速相同，差速器如開放式般運作；但在彎道或滑溜路面，轉速差異出現時，限滑機制介入，限制轉速差並重新分配扭矩。這不僅提升了牽引力，還減少了輪胎磨損和能源浪費。在現代車輛中，限滑差速器往往與電子控制系統（如ABS和ESC）整合，提供更精準的動力管理。以下將從歷史開始，逐步展開討論。
歷史發展與重要里程碑
限滑差速器的概念源自於傳統差速器的改進。差速器本身可追溯至古代，但現代限滑差速器的出現則是20世紀的產物。以下是其主要歷史時間段與里程碑，我們將從早期基礎到現代創新逐一詳述。
- 19世紀末至20世紀初：差速器的基礎奠定
差速器最早由法國工程師Onésiphore Pecqueur於1827年發明，用於蒸汽車輛。1897年，英國工程師James Starley將其應用於自行車和汽車。這段時期奠定了差速器的基本原理，但尚未解決滑差問題。早在100 BCE–70 BCE，古希臘人就已有類似差速裝置的記錄，如Antikythera機制，但真正應用於汽車則在19世紀末。這些早期設計為開放式，無法處理一輪打滑的情形，導致後續創新需求。 - 1930年代：限滑差速器的誕生
1932年，汽車工程師Ferdinand Porsche為Auto Union賽車設計了限滑差速器的概念，以提升賽車在彎道中的穩定性。高功率引擎導致後輪在時速達160 km/h時過度打滑，Porsche委託ZF Friedrichshafen AG開發解決方案。1935年，ZF取得專利，這標誌著限滑差速器的正式誕生。這時期主要應用於賽車領域，解決了開放式差速器在濕滑路面上的缺陷。ZF的「滑動銷和凸輪」設計應用於二戰期間的Volkswagen軍用車，如Kübelwagen和Schwimmwagen，雖然嚴格來說這是自由輪系統，但奠定了限滑基礎。 - 1950年代：商業化與普及
1950年代，美國汽車製造商如Packard和Studebaker開始將限滑差速器應用於量產車輛。1956年，Packard推出Twin Traction系統，是早期商業化範例。這段時間，限滑差速器從賽車擴展至民用車，特別是後輪驅動車型。1957年，通用汽車（GM）為Chevrolet推出Positraction系統，隨後Pontiac的Safe-T-Track、Oldsmobile的Anti Spin、Ford的Traction-Lok和Chrysler的Sure-Grip跟進。這些系統在肌肉車時代流行，Positraction成為通用術語。 - 1960-1970年代：類型多樣化與技術精進
1960年代，碟式限滑差速器（如多片離合器式）廣泛應用於肌肉車，如Chevrolet Corvette。1970年代，齒輪式限滑差速器（如Torsen型）由Gleasman公司開發，專注於扭矩感測分配。這時期見證了電子控制的初步整合，提升了精確度。1958年，Vernon Gleasman專利Torsen限滑差速器，標誌齒輪式進入實用階段。 - 1980-1990年代：電子化與高性能應用
1980年代，Audi Quattro系統引入全時四輪驅動，結合限滑差速器。1990年代，電子限滑差速器（Electronic LSD）出現，如BMW的DSC系統。這段時間，限滑差速器成為高性能車的標準配備。1982年，Torsen開始行銷，用於Audi Quattro和Subaru Impreza WRX STI。1996年，AAM推出TracRite系列，提升牽引力。 - 2000年代至今：現代創新與電動化
2000年代，限滑差速器整合ABS和ESC系統。近年，隨著電動車興起，如Tesla的雙馬達系統模擬限滑功能。2020年代，混合動力車輛進一步優化限滑技術，以適應再生煞車。電子控制型如Subaru Impreza WRX STI的DCCD，允許駕駛者調整。
| 時間段 | 里程碑事件 | 關鍵貢獻者/應用 | 類型發展重點 |
|---|---|---|---|
| 1827-1897 | 差速器基礎發明 | Onésiphore Pecqueur, James Starley | 開放式差速器奠基 |
| 1932-1935 | 限滑概念誕生與專利 | Ferdinand Porsche, ZF | 首次限滑設計，賽車應用 |
| 1956-1957 | 商業化應用 | Packard Twin Traction, GM Positraction | 民用車普及，碟式初步應用 |
| 1958-1970s | Torsen齒輪式專利與多樣化 | Vernon Gleasman, Chevrolet | 碟式與齒輪式分化 |
| 1980-1990s | 電子整合與全輪驅動 | Audi Quattro, BMW DSC | 電子控制限滑出現 |
| 1996-2000s | TracRite與現代優化 | AAM, Tesla | 整合ADAS，適應EV |
| 2020s-現在 | 電動化與AI整合 | Subaru DCCD, 各大車廠 | 智能限滑系統 |
限滑差速器從賽車創新擴展至民用，解決了開放式差速器的缺陷，如在F1賽車中，Lancia D50於1950s已使用LSD，提升彎道性能。
LSD的種類
一般分為“旋轉差感應型”和“扭矩感應型”。根據車輛的驅動系統和使用目的正確使用每一個。採用旋轉差動敏感型的典型例子是粘滯型（在粘滯聯軸器內部封入矽油，利用矽油的剪切力進行差速限制），尤其是在FF車上使用較多。該目的主要是在極低的畝路面，例如雪地路面，左右車輪之間出現較大的轉動差異時有效。
扭矩感應型多用在FR車上，機構有很多種，但在FR跑車上使用的一般是利用多個齒輪組合的齒面阻力（Super LSD和Torsen型）是主流。
碟式限滑差速器（Clutch-Type LSD）
碟式限滑差速器，又稱離合器式或多片式限滑差速器，是最常見的類型之一。其核心利用摩擦離合器片（clutch packs）來限制滑差。以下詳細說明其結構、工作原理、優缺點及應用，並探討子類型如1-way、1.5-way和2-way。
結構分析
碟式限滑差速器基於開放式差速器，增加多片離合器組。典型結構包括：
- 差速器殼體（Differential Case）：容納齒輪組，連接輸入軸。
- 側齒輪（Side Gears）：連接左右半軸。
- 行星齒輪（Pinion Gears）：允許差速。
- 離合器片組：交替排列的內外片，內片連差速器殼體，外片連側齒輪。通常使用薄離合器盤，一半連接一個驅動軸，另一半連接蜘蛛齒輪載體。
- 預載彈簧（Preload Springs）：提供初始摩擦力。
- 斜坡或凸輪機制（Ramp or Cam）：在扭矩差異時壓緊離合器。蜘蛛齒輪安裝在銷軸上，置於斜切槽中，形成凸輪斜坡。
例如，在Eaton公司的Posi-Traction系統中，離合器片由碳纖維或金屬材質製成，耐高溫。離合器疊可能存在於兩個驅動軸上，或僅一個；若僅一個，剩餘驅動軸透過蜘蛛齒輪連結。LSD是多片離合器式結構的所謂機械式。這種類型的LSD最近沒有被採用作為量產的LSD，但它仍然作為賽車運動世界的必需品活躍在前線。其原因是通過根據應用改變壓環的凸輪角度和選擇離合器片的數量來實現“扭矩偏置比”。※這是因為“初始扭矩”可以自由設定，對產生差速限制的反應非常好。 ((※轉矩偏置比 = 高 μ 側轉矩 ÷ 低 μ 側轉矩）
較大的扭矩偏置比意味著可以更大地改變內驅動輪和外驅動輪的扭矩分配比，並且可以賦予具有抓地力的輪胎更大的牽引力。量產的LSD的扭矩偏壓比大約在2.0到3.0之間
工作原理
當車輪正常行駛，扭矩均衡時，離合器片輕微摩擦，允許微小滑差。當一側車輪打滑（如冰雪路面），扭矩差異使凸輪機制壓緊離合器片，增加摩擦力，將更多扭矩轉移至有牽引力的車輪。摩擦力可達預載值的數倍，典型限滑比（Torque Bias Ratio）為1.5:1至3:1。
在加速時，碟式LSD更有效，因為離合器片在負荷下壓緊。減速時，某些設計（如1-way型）不作用，以避免過度穩定。限滑扭矩Trq d與輸入扭矩成比例，輸入扭矩越大，離合器壓合越緊。物理上，這依賴摩擦係數μ和正壓力N，摩擦力F = μN。
子類型分類基於斜坡對稱性：
- 2-Way：斜坡對稱，在加速和減速均提供相同Trq d，適合賽車，提供引擎煞車穩定性。
- 1-Way：斜坡一側垂直（80–85°），僅加速時作用，反向如開放式，適合前輪驅動車，避免轉向過度。
- 1.5-Way：斜坡不對稱，正向Trq d_fwd > 反向Trq d_rev，但均非零，提供中間平衡。
優缺點
優點：
- 反應快速，適合賽車和越野。
- 成本相對低，易於調整摩擦力（更換離合器片）。
- 提供可調限滑程度，甚至在輪胎離地時維持動力傳遞。
缺點：
- 離合器片磨損需定期維護，每60,000英里可能需更換。
- 高溫下效能衰減，可能產生噪音或抖動。
- 在極端條件下，可能過熱導致失效。
應用實例
碟式LSD廣泛用於後驅車，如Ford Mustang的Track Pack系統。賽車領域，如NASCAR，使用高性能碟式LSD提升彎道速度。近年，電子輔助碟式LSD（如Mercedes-AMG的系統）整合感測器，動態調整摩擦。應用於肌肉車如Chevrolet Corvette，提升冬季駕駛安全。
碟式LSD的變體包括錐型離合式，使用錐形件取代離合器片，壓合產生摩擦。當轉速差出現時，錐型齒輪壓向殼體，產生摩擦力矩，限制快轉側。限滑扭矩依錐角決定，受殼體尺寸限制。
齒輪式限滑差速器（Gear-Type LSD）
齒輪式限滑差速器，又稱扭矩感測式或Torsen型（Torque-Sensing），依賴齒輪組而非摩擦來分配扭矩。代表性產品為Gleason公司的Torsen差速器。
結構分析
齒輪式LSD無離合器片，純機械結構：
- 蝸輪蝸桿組（Worm Gears）：核心元件，蝸輪連側齒輪，蝸桿連殼體。
- 側齒輪與行星齒輪：類似開放式，但增加扭矩偏置齒輪。
- 殼體與輸出軸：確保齒輪嚙合。
Torsen使用螺旋齒輪，當扭矩差異時，齒輪阻力自動分配動力。變體包括Torsen T-1（1958專利）和T-2（1984設計，兼容c-clip軸）。
工作原理
齒輪式LSD利用齒輪的不可逆性原理。正常行駛時，齒輪自由轉動允許差速。當一側車輪打滑，扭矩差異使蝸桿齒輪產生阻力，將扭矩轉移至另一側。限滑比固定，通常2:1至5:1，取決於齒輪角度。
與碟式不同，齒輪式在加速與減速均有效（2-way型），且無磨損問題。扭矩分配比例由齒輪設計決定，無需外部控制。物理上，扭矩偏置基於齒輪摩擦和分離力，Trq d隨輸入扭矩增加。
優缺點
優點：
- 無摩擦磨損，壽命長，維護少。
- 平順運作，無噪音，適合日常駕駛。
- 在持續高負荷下穩定，如長途越野。
缺點：
- 成本較高，製造複雜。
- 限滑比固定，不易調整。
- 在完全喪失牽引時（如一輪懸空），效能不如碟式。
應用實例
齒輪式LSD常用於四輪驅動車，如Audi Quattro的中心差速器。越野車如Toyota Land Cruiser使用Torsen型，提升穿越能力。高性能車如Porsche 911，結合齒輪式LSD與電子系統，優化動力分配。其他應用包括Ford Focus RS的Quaife ATB和Eaton Truetrac於4×4皮卡。
齒輪式變體包括螺旋齒輪式，採用左右行星齒輪互嚙，轉速差時產生摩擦限制快轉側。應用於Suzuki Escudo等。
碟式與齒輪式的比較
碟式與齒輪式限滑差速器各有特色：
- 效能：碟式反應更快，適合激烈駕駛；齒輪式更平順，適合長途。
- 耐久性：齒輪式無磨損優勢明顯；碟式需保養離合器。
- 成本與應用：碟式較經濟，用於後驅車；齒輪式高端，用於AWD系統。
- 未來趨勢：兩者均向電子化發展，如eLSD結合感測器。
比較圖表：
| 比較項目 | 碟式限滑差速器 | 齒輪式限滑差速器 |
|---|---|---|
| 核心機制 | 摩擦離合器片 | 蝸輪蝸桿齒輪 |
| 限滑比 | 可調（1.5-3:1） | 固定（2-5:1） |
| 優點 | 快速反應、低成本、可調 | 耐久、無噪音、平順 |
| 缺點 | 磨損、過熱、噪音 | 高成本、固定比例、弱於零牽引 |
| 典型應用 | 賽車、後驅車 | 四驅、越野車 |
| 維護需求 | 高（離合器更換） | 低（無磨損件） |
| 扭矩響應 | 依輸入扭矩比例增加 | 齒輪摩擦自動分配 |
此比較顯示，碟式適合高性能需求，齒輪式強調可靠性。在賽道上，碟式可提供1:1鎖定，而齒輪式無法完全鎖定。
應用與未來展望
限滑差速器在現代汽車中不可或缺。賽車如F1使用先進LSD提升圈速；電動車如Rivian R1T模擬LSD功能。應用包括體育車、越野車、拉力賽車、漂移車和賽道賽車。 未來，隨著自動駕駛興起，限滑技術將整合AI，動態調整分配。電動車中，雙馬達系統可軟體模擬限滑，減少機械複雜度。
限滑差速器從1930年代的創新到今日的電子化，見證了汽車工程的進步。碟式與齒輪式分別滿足不同需求，推動產業發展。透過時間線與圖表，我們可清晰理解其里程碑。未來，限滑技術將繼續演進，適應電動與智能時代。
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