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3 传动系统
3.1变速箱和齿轮比
3.1.1变速箱的原因
现代车辆中使用的内燃机将在有限的有效转速范围内运行，例如1500–7000 rpm，从而产生相对较低的扭矩（转向力）。 如果速度降至下限以下，或者负载过大，则发动机将熄火，车辆将进入静止状态。 如果车辆没有变速箱，则以下缺点很快就会变得明显。
启动时加速不足
离合器必须打滑相当长的时间才能避免发动机熄火。 之前必须达到约24 kph（15 mph）的道路速度
图3.1变速箱关闭
可能会发生完全啮合，在此期间，车轮的驱动力（拉力）只会略大于与车辆运动相反的力（拉力）。 加速度取决于牵引力和阻力之间的差异。 如果该差很小，则加速度将较差。
牵引力：向前移动物体或车辆所需的力。
牵引阻力：牵引力必须克服以产生运动的反向力。
爬坡能力差
坡度会增加阻力，这意味着一旦爬上山坡，发动机就会减速并最终失速。 这可以通过采用具有高扭矩输出的大型发动机来克服，但这将是不经济的。
车辆不能低速行驶
随着车速降低，发动机转速也将降低。 如果车辆必须以低速行驶，则需要打滑离合器以避免失速。
无中性或反向
不可能在不熄火的情况下保持车辆静止，因此在车辆不行驶时始终必须分离离合器。 这也使车辆难以操纵。
3.1.2齿轮杠杆
图3.2显示了一种简单的方法，可以通过操纵杆来帮助人向前推动车辆。 当人没有杠杆而施加努力时，就没有足够的力来向前运动。 当使用操纵杆并使之在保险杠上枢转时，由于在操纵杆的整个长度上施加了重复的力，因此人可以产生向前运动。 实际上，杠杆的长度提供了来自人相同量力而施加的力的倍增。
图3.2强调了安装变速箱的重要性。
其他机械设备也可以产生类似的结果，尽管不一定要使用杠杆。 诸如齿轮之类的组件可以提供来自给定输入的力的倍增。 图3.3a显示了使用重物和滑轮的杠杆的另一种简单形式。 利用砝码m和皮带轮施加到杠杆末端的力可以举起四倍的砝码（砝码M）。 这个简单的实验表明，使用杠杆系统可以放大较小的输入力。
图3.3b显示了如何使用两个圆盘来获得杠杆。 在此示例中，作用在轴C上的质量将在轴D上支撑更大的质量。此布置可以视为简单的变速箱，发动机连接到C轴，车轮连接到D轴。在此示例中，输出扭矩 是发动机扭矩的两倍，如果将圆盘B制成A直径的三倍，则输出扭矩为高音三倍。 这似乎无所不能，但是必须考虑速度。 可以看出，随着转矩的增加，速度成比例地减小，因此，假设该机构的效率为100％，则功率保持不变。
在图3.3b中，速度比（运动比）也称为齿轮比，在这种情况下为2：1，这表示输入轴需要旋转两圈才能使输出轴旋转一圈。
在汽车的早期设计中使用了皮带，皮带轮和摩擦驱动器，但由于采用了滑动齿轮装置，这些系统逐渐消失了。
3.1.3齿轮比的确定
要获得较高的最高车速，并在整个速度范围内实现良好的加速度和经济性，就需要一种齿轮传动系统，使发动机能够以使其发挥最佳性能的速度运转。 最大的发动机功率，扭矩和经济性都出现在不同的发动机转速下，因此这使得匹配传动比的任务变得困难，尤其是在必须考虑可变的工况和驾驶员需求的情况下。
设置多个传动比时要考虑发动机的要求，以使其适应给定的工作条件（表3.1）。
表3.1
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操作条件 |
需求 |
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最高车速 |
最大引擎功率 |
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最大加速度 |
最大发动机扭矩 |
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最大牵引力 |
最大发动机扭矩 |
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最大经济 |
发动机处于中速和轻载状态，节气门开度较小 |
如今，适合于轻型车辆的发动机类型通常需要能够提供五个前进速度和一个倒档的变速箱（即，除了倒档之外，还有五个不同的前进档速比）。 这样可以提供合理的性能，以适应包括经济在内的大多数驾驶条件。
但是，有些车辆装有六速，七速甚至八速变速箱。 应该注意的是，高齿轮是具有低数值的传动比的齿轮（即，传动比为1：1，高于传动比为2：1）。
档位越低，发动机和车轮之间的减速力就越大； 这意味着，对于给定的发动机转速，车轮转速较低。
最高车速
当车辆设置在最高档位并且油门保持完全打开时，可以达到最高车速。
为了使大多数情况下使用的齿轮的摩擦损失最小，“顶级齿轮”的传动比应选择为1：1（直接驱动）。 因此，“最高档”的设置实际上是根据轮毂直径和发动机特性选择最终传动比的选择。
图3.4显示了确保车辆能够达到较高的最大速度所必须考虑的因素。 它显示了所需功率和可用功率之间的平衡。 前者的数据由发动机的制动功率曲线给出。 对于后者，通过计算车辆在水平道路上行驶时克服其牵引阻力所需的功率来获得数据。
牵引阻力（有时称为总阻力）包括：
1空气阻力–由于车辆在空中移动
2滚动阻力–由于轮胎和路面之间的摩擦。 很大程度上受路面类型的影响
3坡度阻力–随着坡度（坡度）对车辆运动的影响而增加。
图3.4a表明，推动给定车辆所需的功率随速度的立方而增加。 这意味着，如果速度加倍，则所需功率将是原来的八倍。 在此示例中，需要150 kW的功率才能以200 kph的速度驱动车辆。
适配于该车辆的发动机的动力输出如图3.4b所示。 该功率曲线表明，发动机在5000 rpm时产生150 kW的峰值制动功率。
如果最大道路速度要尽可能高，则必须设置该车辆的齿轮比，以使“可用功率”曲线的峰值出现在道路速度为200 kph时。 在这种情况下，发动机转速为5000 rpm，以200 kph的速度驱动车辆。
总齿轮比（齿轮箱比times;最终传动比）
一旦确定了两条曲线的相对位置，就可以检查加速度的总体性能。 两条曲线之间的垂直差是可用于加速的剩余功率，因此可以将其绘制为单独的曲线以显示达到最大加速的速度。
假设摩擦被忽略，则必须认识到，齿轮系统既不增加也不减少动力（即，从传动系统输出的动力类似于发动机制动动力，而与传动比无关）。
因此，图3.5中的曲线所示的车辆的齿轮比的变化将导致峰值P从其在图3.4c中占据的位置水平移动。 降低比率（曲线A）将“可用功率”曲线向左移动，提高比率（曲线C）将其向右移动。 这两个条件分别称为齿轮不足和齿轮过度。
在这两种情况下，最大可能速度都会降低，但这不是主要考虑因素。 表3.2列出了两种齿轮传动条件的优点。
表3.2
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条件 |
优点 |
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不足 |
更大的加速动力，因此车辆响应更快 |
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灵活的顶级档位性能，因此当车辆遇到较高的牵引阻力时，只需进行较少的换档 |
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过度 |
在给定的行驶速度下降低发动机转速，因此： bull;更好的经济性 bull;更低的发动机噪音水平 bull;发动机磨损少 |
不足档位的优点可用于克服过度档位的缺点，反之亦然。 对这两种情况的比较表明，档位不足更适合普通汽车，因此档位不足通常为10％至20％。 这意味着，在达到最大可能车速之前，发动机功率峰值出现在10％至20％之间，尽管有更多的可用档位可以更好地匹配齿轮。
最大牵引力
一旦设计人员设定了总的最高齿轮比，便可以确定最低齿轮比（第一齿轮）。 该齿轮在下车时使用，在需要最大牵引力时也需要使用，以使车辆能够爬上非常陡峭的山坡。
牵引力是基于发动机扭矩的，因此，当发动机发展其最大扭矩时，特定齿轮会出现最大牵引力。 在图3.6a中，最高档位的性能（以前以功率差异表示）显示为力的平衡。 可以看出，驱动力曲线的形状与发动机转矩曲线相似。 牵引力曲线的峰值出现在由整体齿轮传动比和车轮有效直径控制的道路速度上。 力和阻力曲线之间的差异代表可用于加速的力。
图3.6b显示了降低传动比对牵引力曲线的影响。 在这种情况下，底部齿轮箱的传动比为4：1，足以充分满足牵引爬坡需求的牵引力。
离合器的逐渐接合动作必须用于提供足够的牵引力，以使车辆在由曲线表示的陡坡上行驶。 一旦离合器完全接合，并且发动机在最大扭矩范围内运行，则可能会产生较小的加速度-这是假定发动机转速不会降低得太低。
通过将所需的最大努力除以顶部齿轮中可用的最大努力来计算最低齿轮箱速比。
中间齿轮
设置了最高和最低变速箱速比之后，然后插入中间速比，以使它们形成几何级数（GP）。 这意味着所有单独的比率都按公共比率前进。 例如，假设最高和最低总传动比分别为4：1和16：1，那么三速和四速变速箱的传动比组为：
三速变速箱：4、8和16（普通速比2）
四速变速箱：4、6.35、10和16（普通比1.59）
为了获得最佳的速度和加速性能，发动机应在最大扭矩和最大功率的限制之间的速度范围内运行。 该工作范围越宽，弥合顶部和底部之间的间隙所需的比率数量越少。 大多数现代汽车发动机的范围都很窄，因此与这些发动机配合使用的变速箱通常至少具有五速箱，在某些情况下甚至是六速或七速。
在装有六个齿轮的变速箱中，通常第五个齿轮比为1：1，第六个为超速档，因为它的齿轮比可以提高速度。 结果，它驱动输出轴的速度比发动机快。
3.2不同类型的齿轮和变速箱
3.2.1齿轮类型
机动车上使用了各种类型的齿轮，但是齿轮箱采用以下一种或多种：
1正齿轮–平行于轴线的齿，用于滑动啮合齿轮箱。 主要用于倒档系统。
2斜齿轮–倾斜于轴线以形成螺旋的齿。 增强强度，使操作更安静。
3双斜齿轮–两组相对的斜齿。
4圆柱齿轮或行星齿轮–正齿轮或斜齿轮围绕非固定中心旋转。
类型2和3用于恒啮合和同步啮合齿轮箱。 大多数自动变速箱使用行星齿轮传动。
齿轮材质
齿轮齿必须承受剧烈的冲击载荷和磨损，因此使用表面硬化钢来提供坚硬的芯和坚硬的表面。
3.2.2手动变速箱
现在的变速箱可分为两个主要类别：手动和自动。 手动变速箱要求驾驶员完全控制变速箱。 通常，驾驶员会使用手动控制杆来选择最合适的齿轮比，以适应驾驶条件。 通过使用自动选择手动变速箱，这已经得到进一步发展。 这种变速箱可作为手动变速箱使用，但具有电子或液压变速装置。 这可以加快换档速度，还可以使驾驶员进行自动换档。 这些在第346页上有更详细的说明。
除了倒档之外，现代变速箱中提供的“速度”（齿轮比）数在某些情况下为四，五，六甚至七。 过去，出于成本原因，通常使用三速变速箱。 手动变速箱的主要类型有：
滑动啮合
恒啮合
同步啮合。
现在，同步啮合是最常用的类型。 这种类型的布局是从其他两种布局发展而来的，正是由于这个原因，现在已经过时的滑动啮合用于初始研究。
3.2.3自动
术语“自动变速箱”是指一种变速箱类型，能够在整个车辆运行状况下无需驾驶员的帮助即可换档。 一旦驾驶员做出初步选择以确定车辆的行驶方向（图3.8）和要使用的档位，其他决定就由变速箱控制模块或变速箱内的“大脑”做出。
在美国，变速箱称为变速箱。这就解释了为什么自动变速箱有时被称为自动变速箱的原因。
如今，许多自动变速箱都使用行星齿轮系统。通过借助于摩擦离合器或制动器保持或驱动齿轮系的一个或多个部分来获得所需的齿轮。制动器和离合器由液压系统控制；它要么集成了自己的传感系统，要么使用电子设备监控发动机和车辆的运行状况。
除了四速周转齿轮箱外，大多数自动系统还需要在发动机和齿轮箱之间安装液力离合器装置（称为变矩器）。这代替了普通的摩擦离合器和两个功能：当发动机转速低于约1000 rpm时，它自动将发动机与变速器分离。并且还提供了无限可变的扭矩和速度比，以弥合齿轮箱周转比之间的阶跃。
在英国，变矩器和自动变速箱的组合构成了自动变速器系统。
3.2.4无级变速器
普通发动机的功率输出随发动机转速而变化。 在低速下，输出功率非常低，因此，如果需要良好的车辆性能，则发动机必须旋转得更快。 它需要以最大功率运行。
当考虑扭矩输出和燃油经济性时，将重复这个故事。 最大扭矩的产生速度与最大经
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