【汽车科普】汽车构造与原理 4.变速器

汇总

• 【汽车科普】汽车构造与原理

更白话科普式的变速箱介绍：

• 【汽车科普】汽车变速箱与MT、AT、AMT、CVT、DCT

目录

• 1.引言
• 2.变速原理
  • 2.1 自行车变速原理
  • 2.2 汽车变速原理
  • 2.3 齿轮原理
• 3.手动变速器
  • 3.1 手动变速器的原理
  • 3.2 倒车档的原理
• 4.同步器
  • 4.1 换挡冲击与同步器
  • 4.2 同步器的工作原理
• 5.自动变速器AT
  • 5.1 没有离合的自动变速器
  • 5.2 液力变矩器
  • 5.3 行星齿轮变速系统
  • 5.4 锁止离合器
  • 5.5 自动变速器最多档位数
• 6.无级变速器CVT
  • 6.1 无级变速器
  • 6.2 无级变速器的结构
  • 6.3 无级变速器的工作原理
• 7.双离合变速器DCT
  • 7.1 双离合变速器的构造
  • 7.2 双离合变速器的工作原理
• 8.序列式变速器SMG
  • 8.1 序列式变速器
  • 8.2 与自动离合变速器AMT的对比
• 9.自动离合变速器AMT
  • 9.1 自动离合变速器
  • 9.2 图示
• 10.变速器档位数
  • 10.1 变速档位
  • 10.2 变速档位数与汽车性能

1.引言

Transmission
没有变速器，汽车也能走。
但只能以一个速度前进，不能减速和加速，甚至一个小坡就能让汽车望而却步。
变速器发展至今，种类繁多，手动、自动、无级、手自一体、自动离合、双离合……
虽然种类繁多，但它们的变速原理，其实差不多。

注意

• 变速器一章的内容与下一章“传动系统”密切联系
• 如果有不理解的内容，建议在学习下一章后再回来看

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2.变速原理

Transmission Principle

2.1 自行车变速原理

• 当想以较快的速度前进时：
  • 把后轴上的链轮切换成更小的，
  • 这样蹬一圈中间的大链轮，后轮就可能转四五圈，
  • 从而提高了行驶速度；
• 遇到顶风或上坡时：
  • 可以将后轴上的链轮切换成直径更大的，
  • 这样蹬一圈中间的大链轮，后轮可能也就转一两圈甚至半圈，
  • 不太用劲儿就可以骑车攀爬上坡。
• 小结：
  • 当主动链轮的直径和转速固定不变时：
    • 从动链轮越小，从动链轮的转速也会越高，输出的转矩也会越小；
  • 反之亦然
• 自行车变速原理示意图
  

2.2 汽车变速原理

• 起步时：
  • 不需要较大的车速，但需要较大的转矩，
  • 因此在起步阶段最好是让汽车低速、大转矩平稳运行；
• 在车速提高后：
  • 不需要太大的转矩，而需要较高的车速。
• 变速器的作用就如同自行车的变速齿轮
  • 根据行驶情况调节发动机输出的转速和转矩，从而使汽车顺利地起步、爬坡和快速行驶等。

2.3 齿轮原理

齿轮传动比

• 齿轮传动比简称齿比：
  • 指主动齿轮与被动齿轮的角转速之比
  • 也等于被动齿轮与主动齿轮的齿数之比。-- (更直观)
  • 注意：齿轮越大，单位时间内扫过的角度越小，即ω越小，对应齿轮数越大，成反比
• 变速器的每个档位齿轮组合，都有一个与其他档位不同的传动比。
  • 档位越低，其传动比越大 -- 大力慢速；
  • 档位越高，其传动比越小 -- 小力快速

齿轮啮合原理

• 相互啮合的一对齿轮，直径越大或齿数越多的齿轮，它的转速越低，转矩越大；转速越高，则转矩越小
• 降低档位:
  • 更换传动比更大的齿轮组合，也就是换直径较小的主动齿轮和直径较大的被动齿轮组合。
  • 此时变速器输出的转速降低，转矩增大；
• 升档:
  • 换直径较大的主动齿轮和直径较小的被动齿轮的齿轮组合，
  • 此时变速器输出的转速提高，转矩减小。
• 齿轮变速原理示意图：
  

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3.手动变速器

Manual Transmission

3.1 手动变速器的原理

• 当离合器接合时，不管是在空档还是在任何档位：
  • 变速器中每个档位的主动齿轮（红色齿轮）以及每个档位的从动齿轮（蓝色部分）始终啮合在一起，并按照各自的转速不停地旋转。
• 在空档时：
  • 各个档位的所有从动齿轮并没有和输出轴连接，此时输出轴是静止不转的。
• 当挂上1档或其他前进档位时：
  • 是将1档或其他档位的从动齿轮通过同步器（或称犬牙啮合套）和输出轴接合起来共同旋转。
• 当变换档位时：
  • 则是换成新档位的从动齿轮来与输出轴接合并共同旋转。
• 5速手动变速器原理示意图：
  

3.2 倒车档的原理

• 倒档的主动齿轮和从动齿轮之间“夹”了一个中间轮
  • 这样就可使输出轴的旋转方向与其他档位相反。
• 4速手动变速器构造示意图
  

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4.同步器

Synchronizer

4.1 换挡冲击与同步器

• 当操纵变速杆换档时：
  • 其实是更换与动力输出轴接合的齿轮副。
• 由3档升到4档：
  • 将正在与动力输出轴接合的3档齿轮副脱离，然后将4档齿轮副与动力输出轴接合。
• 在与新的齿轮副接合时：
  • 动力输出轴基本保持原来上个档位的旋转速度，
  • 在与新齿轮副接合时就会产生一定的速度差，
  • 而不同转速的部件硬性接合时就会产生冲击，损坏齿轮。
• 利用同步器的特殊性能，可以减少换档冲击。
  • 手动变速器中都设有几个同步器：避免换档时的冲击，使换档更加顺畅。
• 老式的汽车变速器上没有同步器：
  • 为了减少换档冲击，换档时必须采取“两脚离合”的方法
  • 即：升档时在空档位置稍停顿一下，降档时在空档位置稍踩下加速踏板，以减少齿轮之间的转速差
• 手动变速器原理示意图：
  
• 手动变速器构造图手动变速器构造图
  

4.2 同步器的工作原理

• 同步器也称为犬牙啮合套
  • 它在与档位齿轮接合时如同犬牙一样相互交错在一起。
• 当向左推动同步器时，同步器上的同步环就与档位齿轮上的接合齿圈犬牙交错在一起。
• 同步器毂与动力输出轴是接合在一起的：
  • 可以使档位齿轮与动力输出轴接合在一起，从而达到变速的目的。
• 同步器与档位齿轮接合示意图：
  
• 单件式同步器构造示意图：
  
  

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5.自动变速器AT

Automatic Transmission

5.1 没有离合的自动变速器

• 发明初衷：
  • 懒人发明，想减轻换档操作的劳动强度，甚至不想来回换档
  • 因此就在变速器中设计了一套自动换档机构，它可以自动完成变速操作
• 自动变速器的构造：
  • 一套由液力变矩器、控制器、电磁控制机构、多片离合器和行星齿轮等组成的自动换档机构
• 自动变速器由两大部分组成：
  • 液力变矩器；
  • 行星齿轮变速系统
• 奥迪汽车6速自动变速器构造示意图：
  

5.2 液力变矩器

Hydraulic Torque Converter

• 液力变矩器的作用：
  • 相当于手动档汽车上的离合器。
• 液力变矩器的原理：
  • 类似两个对吹的电风扇，它们通过介质可以传递动力，起到离合器传递动力的作用
  • 对吹电扇传递动力的介质是空气，而液力变矩器传递动力的介质是油液。
  • 通过控制油液的流动状态，就可以控制动力和转速输出的大小。
  • 从液力变矩器传递的动力，经行星齿轮组合变速，可实现自动变速。
• 液力变矩器与离合：
  • 踩下制动踏板：
    • 来自车轮的拖动力不会回传到发动机，因此不会导致发动机熄火，
    • 此时相当于离合器分离；
  • 当抬起制动踏板：
    • 汽车又可以起步，此时相当于离合器接合。
• 液力变矩器的构造与工作原理
  • 液力变矩器主要由三个“轮”组成：泵轮、导轮和涡轮。
    • 在三个轮之间充满了液压油。
  • 泵轮和涡轮：
    • 与发动机曲轴相连，当发动机旋转时，泵轮便会随之旋转，
    • 并搅动液压油，将其“甩向”与后面变速机构相连的涡轮，
    • 使涡轮旋转，从而将动力传向后面的变速机构，最终传递到车轮。
  • 导轮：
    • 固定不动，作用是增大传递转矩。
• 液力变矩器构造示意图：
  
  
  

5.3 行星齿轮变速系统

行星齿轮

• 行星齿轮：指有自转和公转的齿轮结构。
• 中间的齿轮：像太阳，只能自转；
• 周围的小齿轮：像行星，围绕中间的太阳轮公转。
• 输出不同的转速和转矩：
  • 将某一种齿轮固定不动时，就会变化出不同的传动比，包括反转
• 固定某种齿轮的动作：由液压机构执行，
• 发出执行命令的是：变速器控制器

行星齿轮的变速原理

• 行星齿轮机构共有三种齿轮：
  • 中间的大齿轮称为太阳轮，
  • 黄色的小齿轮称为行星齿轮，
  • 最外面的齿圈称为环齿轮。
    
• 三种齿轮在进行变速时，分别作为固定齿轮、主动齿轮和从动齿轮，可变换出不同的传动比。
  • 1）环齿轮固定：太阳齿轮为主动齿轮，行星轮为从动齿轮，或相反。
  • 2）行星齿轮固定：太阳齿轮为主动齿轮，环齿轮为从动齿轮，或相反。
  • 3）太阳齿轮固定：环齿轮为主动齿轮，行星齿轮为从动齿轮，或相反。
    
    
    

5.4 锁止离合器

• 当液力变矩器传递动力时：
  • 采用液压油作为传递介质，大约有10%的能量损失；
  • 这对节能降耗很不利，也会影响操控性。
  • 为了解决这个问题，在液力变矩器和飞轮之间设置了一个单向锁止离合器
• 锁止离合器的工作原理：
  • 车速较高时：用电控的方式起动此离合器，将液力变矩器的输入轴和输出轴锁止在一起，实现刚性直接传递动力。
  • 也就是从发动机曲轴输出的动力，不需经过液力变矩器而直接传递到变速机构，从而提高传动效率。
  • 随着技术的进步，一些自动变速器可以实现更大范围的锁止传动，甚至达到全档位的锁止传动。
    

5.5 自动变速器最多档位数

• 自动变速器从最初发明时的3速，已增加到现在最多9速自动变速器，
  • 如奔驰、路虎和吉普等就有采用9速自动变速器的车型。
• 8速自动变速器：
  • 主要配备在宝马和奥迪等车型上，
• 7速自动变速器：
  • 仅在奔驰老款车型上还有使用。
• 市场主流：6速自动变速器
  • 使用5速自动变速器的越来越少，而使用4速自动变速器就非常落后了。
• 奔驰9G-TRONIC PLUS 9速自动变速器示意图：
  
  

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6.无级变速器CVT

6.1 无级变速器

• CVT 变速器也称为无级变速器，
• 行驶时在一个很大的范围内无缝地改变齿轮比。
  • 这意味着无论速度如何，汽车始终都能高效工作。
  • CVT 旨在保持燃油经济性，尤其是在城市内行驶时
• CVT变速器常用于汽车、雪地车、小型摩托车、土方机械和拖拉机。

6.2 无级变速器的结构

• 无级变速器的主要部件：两个滑轮和一条金属带
  • 金属带：套在两个滑轮上
  • 滑轮：由两块轮盘组成，两块轮盘中间的凹槽形成一个V形。
• 一边轮盘由液压控制机构操纵：
  • 根据不同的发动机转速，进行分开与拉近，
  • V形凹槽随之变宽或变窄，将金属带升高或降低，
  • 从而改变金属带与滑轮接触的直径，相当于在齿轮变速中切换不同直径的齿轮。
• 两个滑轮呈反向调节：
  • 即其中一个带轮凹槽逐渐变宽时，另一个带轮凹槽就会逐渐变窄，从而迅速加大传动比的变化。
• 无级变速器变速原理示意图：
  • 当向下推动滑轮时（如上图红色部分），左侧滑轮的直径就会变小，而右边滑轮的直径同时变大；
  • 同理，当向上推动滑轮时（如下图红色部分），结果则相反，从而实现不同的传动比，达到变速的目的
    

6.3 无级变速器的工作原理

• 当汽车慢速行驶时：
  • 令主动滑轮凹槽的宽度大于被动滑轮凹槽，
  • 主动滑轮的金属带圆周半径小于被动滑轮的金属带圆周半径，即小圆带大圆，
  • 因此能传递较大的转矩。
• 当汽车逐渐转为高速时：
  • 主动滑轮的一边轮盘向内靠拢，凹槽宽度变小迫使金属带升起，直到最高顶端；
  • 被动滑轮的一边轮盘刚好相反，向外移动拉大凹槽宽度迫使金属带降下，
  • 即主动滑轮金属带的圆周半径大于被动滑轮金属带的圆周半径，变成大圆带小圆。
  • 因此，能保证汽车高速行驶时的速度要求。
• 无级变速器工作原理示意图：
  
• 奥迪无级变速器构造图
  

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7.双离合变速器DCT

Double Clutch Transmission

7.1 双离合变速器的构造

• 双离合变速器（Double Clutch Transmission，简称DCT）
• 变速结构和原理与手动变速器一样，多了一个离合器，因此称为双离合变速器。
• 或者说，双离合变速器相当于把两个手动变速器整合在一起，交替传递动力。

7.2 双离合变速器的工作原理

• 两个离合器分别控制奇数档位和偶数档位。
  • 换档时，让另一个离合器接合，从而直接换档，不需要再踩离合器踏板、摘档、挂档等动作。
  • 可以说，换档只是换离合器，因此换档速度较快。

• 雷诺汽车双离合变速器原理示意图

• 奥迪汽车7速双离合变速器原理示意图：

• 大众汽车6速双离合变速器原理示意图：

• 奥迪汽车7速双离合变速器构造图（正在3档工作状态）：

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8.序列式变速器SMG

8.1 序列式变速器

• 简称为序列式手动变速器SMG（Sequential Manual Gearbox）。
• 操作方式：
  • 类似常见的手自一体式变速器，
  • 不用离合器踏板，自动更换档位；也可以推拉变速杆进行加档和减档。
• 内部的变速机构：
  • 类似手动变速器一样，通过切换不同的变速齿轮组合进行变换档位，
  • 比手动变速器多了一套自动换档机构和电子离合器
• 序列式变速器SMG构造示意图：
  
  

8.2 与自动离合变速器AMT的对比

相同点

• 都是在手动变速器的基础上加装一套自动换档机构，
• 从而实现不用踩离合器踏板就能自动换档的功能。

不同点

• 序列式变速器：
  • 具有更高的传递效率和极短的换档时间
  • 在赛车和高性能汽车上使用的
• 齿轮：
  • 普通汽车的AMT：采用斜齿轮进行变速，
  • 高性能汽车的SMG：采用直齿轮进行变速，
  • 直齿轮：传递效率更高。
• 换档间隙：
  • SMG的换档机构：
    • 有个带若干沟槽的棘轮，换档时+、-，其实就是在转动棘轮。
    • 当棘轮转动时，卡在槽里的换档机构就会运动，
    • 棘轮能同时控制多组拨叉，所以可以在一组齿轮分开的同时，使另一组齿轮啮合，几乎没有换档间隙，
    • 而且只能逐级增档或减档，因此称为“序列式变速器”。
  • AMT的换档机构：
    • 只是将手动变速器的离合器、换档拨叉的操作动作，由人工操作改为电动或液压机构自动操作，
    • 只是更省人工。

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9.自动离合变速器AMT

Automated Manual Transmission

9.1 自动离合变速器

• 自动离合变速器AMT（Automated Manual Transmission），也称半自动变速器等
• 在手动变速器的基础上改进而来:
  • 基本变速结构和手动变速器是一样的
  • 在手动变速器的基础上加装一套自动换档装置，替代驾驶人进行离合器分离及更换档位的动作
  • 可以利用电子控制单元
    • 收集驾驶人的操作信息和车辆运行信息，
    • 指挥电子液压机构来操纵离合器和换档拨叉，
    • 从而实现自动换档。

9.2 图示

• 雪铁龙电控自动离合变速器构造图
  

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10.变速器档位数

Transmission Gear Number

10.1 变速档位

• 有级变速器与无级变速器
  • 无级变速器：很大的范围内无缝地**改变齿轮比
  • 有级变速器：一般都设有几个档
• 一般档位：
  • 手动变速器一般为5～6档，
  • 自动变速器则为4～9档。

10.2 变速档位数与汽车性能

• 爬楼梯类比变速档位数：
  • 同一楼层高度下，台阶数越多，单个台阶越低，楼梯爬起来越省力。
  • 同样，汽车变速器档位数越多：
    • 汽车加速时更顺畅、省力，
    • 加速时的顿挫感更小，舒适性更好，
    • 同时更省油。
• 无级变速器类比：
  • 相当于乘坐滚梯，可以没有台阶地一路斜上，
  • 没有顿挫感，非常顺畅，而且更省劲，也更省油。
    

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END