挡是怎么变出来的?

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  如果各位童鞋仔细看过汽车的仪表盘,那么从转速表上就能看出大多数汽车的发动~J1,E怠速的时候每分钟也就800转的样子。而在加速的时候,转速则猛地提高到了5000转。对于两者之间6倍还要多的差距,必须要有一个东东来将发动机输出的动力优化,从而能够应对不同情况下的动力输出。要实现这一点,咱们靠的就是下面要说的变速器……
  
  当1895年那个叫做阿尔芒·标致的童鞋在汽车上装上变速器的时候,上面也就两个挡——一个前进挡,一个倒车挡。这玩意儿的结构其实灰常简单,说起来无非就是个减速器,也就是一个小直径的主动齿轮带动大直径的从动齿轮。当两个齿轮啮合的时候,从动齿轮在转动的同时增加了扭矩。不过光是有了减速器,车轮的转速倒是降下来了,扭矩也提高了,可是道路的情况相当复杂,地球人总不能只用一种办法来对付吧?于是,地球人想出了MT变速器来搞定这个问题。
  说起来MT变速器的结构可以说是所有变速器中最简单的——多的咱们不说,这玩意儿里面无非是几组不同齿比的齿轮,将发动输出的动力进行扭矩放大,最后传递到车轮输出而已。在需要换挡的时候,咱们需要踩下离合器,将发动机输出的动力断开,通过让相应挡位的齿轮啮合来换挡。不过,早期的MT变速器都采用的是直齿齿轮,虽然传递动力灰常直接,但是由于齿轮上每个啮合的齿从开始到结束都是属于线接触,换挡的整个过程并不平顺,而且还经常造成变速器损坏。各位童鞋想想,在18世纪末、20世纪初,买得起汽车这个新奇玩意儿的地球人肯定非富即贵,谁都愿意花大价钱买享受,要是花钱买罪受,估计这汽车的历史肯定就此打住了。
  既然直齿齿轮不给力,那么地球人就得换条道来走,这条道地球人选择了斜齿齿轮。既然叫做斜齿齿轮,顾名思义就是这个齿轮上的齿都是采用斜向排列。在啮合的时候,这种齿轮的两个齿开始先是点接触;完全啮合则与直齿齿轮一样,变为线接触;最后两个齿开始分离,由线接触转为点接触完成一次啮合。由于开始是点接触,采用斜齿齿轮的MT变速器要比采用直齿齿轮的平顺多了。不光如此,两个齿完全啮合的时候是线接触,最后输出的动力也不会损失多少,可以说是鱼与熊掌兼得的东东,所以直到今天地球人都一条道走到底,绝大多数的MT变速器里面都装的是斜齿齿轮(1905年,来自法兰西共和国的安德烈·雪铁龙童鞋在斜齿齿轮的基础上搞出的人字形齿轮更厉害,只不过那玩意儿加工难度灰常高,费用不是一般地球人能承担的,所以这玩意儿最后留在了雪铁龙的Logo上。当然,凡事也不是木有例外,在一切向速度看齐的F1赛车打死都不会采用斜齿齿轮,这玩意儿只用直齿齿轮。至于原因嘛,咱们也不多说什么了,换挡平不平顺、变速器能用多久这一堆问题人家根本就不在乎,只有速度才是最关键的。
  如果早几年进驾校考驾照,开过3挡北京212吉普的童鞋肯定不会忘记换挡的时候那折腾人的两脚离合。按照毁入不倦的教练的说法,升挡的时候咱们需要松油门,踩离合,入空挡,松离合,再踩离合,最后升挡;而降挡的时候咱们必须踩离合,入空挡,踩油门,松离合,再踩离合,最后降挡。这种俗称两脚离合的换挡操作,实在是太过复杂,不少童鞋,特别是女童鞋一场考试往往就栽在这上面。好在当年考驾照还木有现在这样严格与紧俏,只要以后多加练习,最后的补考多半还是能安全通过的。OK,好像咱们确实有点扯远了,现在还是回到变速器上来。对于一个合格的Geek而言,通过前面对于两脚离合的描述,应该开始思考为什么会出现这样的情况,毕竟现在考驾照木有要求两脚离合啊?对于这个问题的原因,咱们可不想在这里卖关子,还是直接告诉各位童鞋好上,那时候的变速器中木有同步器。
  在需要升挡的时候,由于发动机已经提升到了一定转速,如果直接由低速挡升入高速挡,那么很可能由于输入轴上的齿轮转速高于换挡齿轮的转速出现无法升挡的情况(两个转速不同的齿轮强行啮合必然会发生强烈冲撞,导致齿轮损坏)。对于这样的情况,咱们就需要用两脚离合来延长换挡的时间,即先进入空挡,再等发动机转速降低到与换挡齿轮转速差不多之后进行升挡,这样两个齿轮才会完美啮合。同样地,-在进行降挡的时候,由于这个时候发动机转速过低,也是无法降入低速挡的,必须先进入空挡,并踩下油门提高发动机转速,才能让输入轴上的齿轮转速与换挡齿轮的转速基本一致,这样才能进行降挡。咱们的描述估计各位童鞋看了这段都已经十分晕乎,更不要说在汽车上手忙脚乱地换挡了。这个时候,地球人在MT变速器技术上的—大革新,要考驾照童鞋的一大救星——同步器闪亮登场了。前面咱们也说了,用两脚离合最大原因就是两个齿轮的转速不同,导致齿轮无法完美啮合,现在地球人发明的同步器就来解决这个问题。
  说起来同步器的结构其实灰常简单,说白了也就是两个部件组成——接合套与同步锁环。其中的同步锁环内侧是一个锥面,而与之接合的齿轮上则被设计成了对应的锥面。咱们换挡的时候,拨叉推动结合套,再带动里面的同步锁环上的锥面与齿轮上的锥面发生摩擦,在摩擦的作用下齿轮的转速被迅速降低或升高,直到与同步锁环转速相同为止。这个时候,结合套在惯性作用下就能与齿轮牢牢地固定在一起。这样一来,变速器内部就形成时条畅通的动力传递路线,换挡也就搞定了。正是有了同步器,咱们才告别了两脚离合。而各位童鞋在MT变速器上经常说的吸入感,其实就是同步器的工况,像大众引以为傲的MQ200变速器,这个东东的同步器拥有3个锥面,同步效果自然不错,吸人感能不好吗?就算是里面有了斜齿齿轮与同步器,MT变速器还是需要地球人来操作——踩离合与拨挡这两个动作总还是要有的。要是有这样-一种变速器,连前面的两个动作都通通省略了。那不是只要控制好方向,汽车这个玩意儿不是傻瓜都能开了呢?要实现这个想法,地球人就得在MT变速器上大动刀子。首先需要搞定的就是离合器。这离合器无非就是个开关,负责切断发动机的动力输出而已,只要用一个东东来代替离合器就可以了。
  各位童鞋都知道,用嘴吹口气,风车就会转;那么用风扇吹风车,风车还是会转。如果咱们在发动机与变速器之间设置主动叶轮作为风扇,而从动叶轮则来当风车,再用金属壳体将这两个东东包起来,最后用液压油来代替空气,那么发动机带动主动叶轮旋转的时候,动力就会通过液压油带动从动叶轮旋转。特别是在汽车起步的时候,由于从动叶轮的,这个时候就需要猛踩油门,提高发动机转速来让从动叶轮旋转。这样一来,其实就与在采用MT变速器的汽车上起步一个道理,算是半离合状态。这个东东叫做液力耦合器,后来地球人又在液力耦合器的基础上加装了导轮,让这个东东原地升级成为可以进行扭矩调节的液力变 矩器。看完了前面说的,各位童鞋应该知道液力变矩器在一定程度上可以代替离合器,不过咱们说的只是一定程度,要真正代替还需要另外一个灰常重要的东东——行星齿轮组。
  除了液力变矩器之外,AT变速器与MT变速器最大的不同就是内部用到了行星齿轮组。一个行星齿轮组由齿圈、行星架、行星齿轮与太阳齿轮组成。其中行星齿轮是安装在行星架上面,只要将齿圈、行星架与太阳齿轮这3者中的任何一个进行固定,那么就能实现不同齿比的输出,甚至反向旋转,也就是倒挡都不是什么大问题。如果AT变速器中有一个行星齿轮组,其中齿圈为144齿,太阳齿轮为60齿,行星架上的行星齿轮则与前面两者啮合。咱们将齿圈固定,动力由太阳齿轮输入,那么行星架输出的转速就是原来的1+144÷60=3.4,齿比即为3.4:1,也就是说输入的转速为3,4圈,那么输出的转速则被降低到1圈;·要是太阳齿轮被固定,动力由行星架输入,那么齿圈输出的动力就是原来的1÷(1+60÷144)=0.705约0.71,齿比即为0.71:1,也就是说输入的转速仅仅为0.71圈,那么输出的转速就被提升到1圈;最后咱们将行星架固定,动力还是由太阳齿轮输入、齿圈输出,那么情况就大不一样十齿圈输出的转
  速就是原来的144÷60=-2.4,齿比即为2.4:1,即输入转速为2.4圈,输出的转速不仅下降到了1圈,而且旋转方向还被改变了。从前面行星齿轮组的不同状态,各位童鞋应该可以看出,3.4:1其实就是AT变速器的低速挡,而0.71:1则是高速挡,-2.4:1就是倒挡。了解了这些,好像还少了点什么?木有错,咱们少说了固定齿圈、行星架与太阳齿轮的东东——湿式多片离合器。这个东东其实是由几层摩擦片与压盘组成,通过液压控制来完成对齿圈、行星架与太阳齿轮的固定。也正是有了这些湿式多片离合器与液力变矩器,AT变速器才实现了自动换挡,告别了踩离合与拨挡这两个动作。
  无论是MT变速器还是AT变速器,它们都有一个共同的特点——每一挡的齿轮的齿比都是固定的。也就是说,变速器在保持同一挡的情况下,想要让汽车超过70码,那么只能靠猛地踩下地板油,提高发动机的转速来搞定。而在换挡的时候,就算是AT变速器,也会由于内部的湿式多片式离合器分离与结合而造成动力输出中断。虽然这样的时间灰常短暂,甚至还不足1秒钟,但是由于汽车处于高速行驶状态,对于上面乘坐的地球人而言,就会有明显的感觉。对于这样的感觉,地球人取了个灰常直白的名字——顿挫感。说起来,顿挫感对于广大人民群众而言绝对是属于鸭梨不大的东东,反正自动换挡就成,动力中断一下也木有太大的影响,忍一忍也就算了。可是这个东东对于那些绝对不差钱的领导与他们后面的官二代、权二代而言,那肯定就是难以忍受了。所以他们需要一种换挡更为平顺的变速器来满足自己骄奢淫逸的欲望。
  既然领导明确提出了要求,那么这事儿可不能拖,必须得赶紧办。在变速器上面,只要还存在齿轮,还设有挡位这两个东东,那么就不可能完全消除顿挫感。换句话说,要完全消除顿挫感,变速器就得彻彻底底地换一种结构,直接放弃齿轮与挡位。对于这样的要求,那些负责研发的民工们想到了日不落帝国在工业革命之前,用在手摇纺纱机上的皮带传动来。说起这皮带传动,其实各位童鞋都应该见过,无非是一个主动带轮通过皮带来带动从动带轮。如果动力从主动带轮输入,那么从动带轮的转速就会提高;而动力换做从动带轮输入,主动带轮输出的扭矩就将增大。这两种方式其实正好符合汽车队变速器的要求——要在转速与扭矩之间的变换,只要让两个带轮的直径动态变化就可以。
  对于前面咱们所说的原理,其实在100多年前,那个发明汽车的卡尔·本茨童鞋就已经略懂、略懂了,只不过当时这家伙造出的东东灰常山寨,橡胶做的皮带并不怎么耐操,不是转速高了打滑,就是扭矩大了断掉,始终木有进入工业化大生产,出现木有几天就被手动变速器打得满地找牙。而在此后的100多年里,采用这种原理的变速器基本上属于停滞状态。这一切的一切一直持续到上世纪80年代才有所改变。在那个时候,东瀛国造的汽车在地球上可是畅销货,甚至在号称头号汽车消费山头的花旗国也是如此。在东瀛国造汽车的工厂中,有个叫做日产的工厂造出的变速器满足了领导的需求。
  由于橡胶做的皮带不能传递高转速、大扭矩的动力,所以日产将许多片薄钢片串在一起,组成一条柔软而强韧的钢带来代替。如此一来钢带不仅解决了皮带不能传递高转速、大扭矩的动力这个问题,而且在耐操程度上也大为提高。由于钢带的横截面是个三角形,所以与之对应的两个带轮中间做成了V形槽的样子。当汽车需要提高输出转速的时候,主动带轮在液压的作用下会向内压缩,这个时候钢带受到挤压开始向外扩张,从而达到增加主动带轮直径的目的;与此同时,从动带轮的动作则与主动带轮相反,在液压的作用下向外扩张,而钢带就会开始向内收缩,让从动带轮的直径自动缩小。而在汽车需要高扭矩输出的时候,过车则与前面相反,在液压的作用下主动带轮直径缩小,而从动带轮的直径增加。由于这种变速器在变速的过程中,主动带轮与从动带轮的直径始终都是以线性成反比,消除了MT变速器与AT变速器上的挡位概念,因此这玩意儿称为CVT变速器,也就是各位童鞋常说无级变速器。不过CVT变速器也不是木有挡位的,为了照顾某些蛋疼的童鞋玩手动的变态需求,这玩意儿竟然硬生生被虚拟出n个挡来。
  不过地球人可是一种灰常难以伺候的物种,在感受过TAT变速器换挡的便捷与CVT变速器换挡的无顿挫感之后,这些主儿又挑剔起油耗这个东东来。本来动力从发动机输出到车轮上,经过飞轮、离合器、变速器,中间都是直接机械传动,MT变速器的损失灰常之小,可以说是所有变速器中传动效率是最高盼,达到了95%以上。而对于AT变速器与CVT变速器而言,由于有了液力变扭器这个东东间接传动中转,传动效率一下就降低到了80%左右。既然MT变速器与AT变速器在传动效率上有15%的差距,那么咱们要在享受换挡便捷的同时获得较低的油耗,那就只有在这相差的传动效率中做做文章。想要在传动效率上做文章,那么最简单的方法之一就是在现有的东东上进行改造。各位童鞋都应该知道在MT变速器上面,任何一次换挡地球人都需要手动来完成——首先踩下离合器踏板,然后用挡杆带动拨叉,再进入对应的挡位,最后松掉离合器踏板……这一系列过程如果咱们用机械来搞定,那么MT变速器不就原地满血复活,直接升级变成TAT变速器?不光如此,这样的变速器不仅有着手动变速器高达95%以上的传动效率,而且还有自动变速器换挡的便捷。虽然有着 介于牛A到牛C之间的优势,但是这种变速器本质上还属于MT变速器,只不’过有了一套代替地球人换挡过程的机械结构而已,因此这玩意儿得了个灰常拗口的名称,被地球人称为自动手动变速器,也就是现在咱们经常在咱们这片儿自有品牌汽车上看到的AMT变速器。
  虽然AMT变速器现在咱们这片儿看来是属于廉价的东东,可是人家的家谱那可是灰常显赫。各位童鞋都知道从来就不差钱的菲亚特吧?这个隔三差五就造点邪恶跑车的意大利工厂在上世纪60年代就开始了对AMT变速器的折腾。为什么菲亚特当年要去搞AMT变速器,咱们确实说不上来,因为意大荆人脑子里的内容很难用正常人的思维来衡量。不过在这里面有一点咱们倒是可以肯定——菲亚特看重的应该不是AMT变速器可以让换挡变得更便捷这个优势,而是这玩意儿高达95%的传动效率。要知道传动效率越高,那么发动机的输出功率损失也就越小。这对于大排量的发动机而言,换个变速器就等于提高了实际输出功率,这样的好事儿,菲亚特能错过吗?经过近20年时间的折腾,1986年的时候菲亚特一狠心竟然将AMT放到了旗下的法拉利F1赛车上。根据汽车发展的历史惯例,但凡是赛车上用过的新东东,过不了多少年肯定会出现在跑车上,再过些年也会被装在普通的汽车上。对于这个惯例,菲亚特也不例外。6年之后,菲亚特将AMT变速器装在了旗下的阿尔法·罗密欧156跑车上面。而又过了5年,法拉利F355跑车竟然也装kTAMT变速器。而在此之后,菲亚特旗下的马瑞利开始大批量造AMT变速器,并将这玩意儿卖到了地球上大多数角落,让许多普通的汽车也用上了。前面咱们说了许多AMT变速器厉害的地方,不过这玩意儿也不是木有缺点的。由于AMT变速器不过是在手动变速器上加装了用来换挡的机械结构,所以在响应时间上并不如纯粹的手动变速器。用过AMT变速器的童鞋都用来得慢形容这玩意儿,基本上从手动换挡到速度明显改变,中间差不多有1秒的延迟。这对于某些追求操控感的童鞋是不能接受的。既然开着普通汽车的童鞋都不能接受,那么咱们再倒推上去,那些开着跑车、赛车的童鞋就更不能接受了。特别是那些开F1赛车的童鞋,每一秒都是那么的宝贵,纷纷表示鸭梨很大。为了解决这个问题,负责研发的民工们又折腾出了DCT变速器。其实,DCT变速器的历史可比AMT变速器早多了。在上个世纪的40年代,就已经出现在了地球上,甚至在80年代还用在了有四个圈标志的赛车上。不过赛车那玩意儿太高端,离广大人民群众的生活实在是过于遥远,所以真正将这玩意儿发扬光大还是最近几年的事情。
  既然DCT变速器翻译过来叫做双离合变速器,那么不用说这玩意儿肯定有两个离合器。这两个离合器分为干式与湿式两种,无论是采用哪一种,这两种离合器都是自动控制分离与结合的(干式离合器采用类似AMT变速器的控制技术,而湿式离合器则用到TAT变速器的控制技术)。DCT变速器并不光只有两个离合器,而且其中一个离合器与奇数挡轴(1挡、3挡与5挡,甚至还有7挡)连接,另一个离合器则与偶数挡轴(2挡、4挡、6挡与倒挡)连接。不仅如此,这两根轴其中之一是空心轴,所以这两根轴都套在一起处于同一轴线上的。
  当偶数挡离合器结合的时候,动力由发动机输出到偶数挡轴,如果这个时候DCT正处于2挡并准备进行升挡,那么由于奇数挡离合器木有结合,与之相邻的奇数挡轴实际上是在空转。不过在此之前,同步器已经预先与3挡齿轮结合。一旦偶数挡离合器分离,奇偶数挡离合器结合,那么动力就会由偶数挡轴无缝切换到奇数挡轴,这样一来DCT变速器不仅完成了升挡,而且输出的动力也木有出现中断的情况。反过来说,如果汽车需要降挡,那么唯一的不同就是同步器已经预先与1挡齿轮结合了。换句话说,无论在哪个情况下,DCT变速器总是同时挂着两个挡,只不过其中一个正在工作,另一个则在为下一步的升挡或降挡做好准备。不过,DCT变速器并不知道下一步是升挡还是降挡,那么这就需要TCU与ECU来对汽车的行驶速度、换挡习惯进行分析并预测,提前在相邻两个挡中选择其一,并让同步器预先与之结合,为升挡或降挡做好准备。正是由于DCT变速器由了这么一个预先准备的机制,在换挡速度上比AMT变速器快了许多,甚至比许多MT变速器都还要快。
  目前,DCT变速器可以说是未来变速器发展的一大趋势,福特系的PowerShift变速器、大众系的DSG变速器、别摸我系的DKG变速器、三菱系的SST变速器等东东其实都是属于DCT变速器,除了名称不同之外,在结构上都是大同小异。不过,由于咱们这片儿最常见的DCT变速器就是南北两个合资大众装在一大堆汽车上的DSG变速器,以至于有不少童鞋错误地将DSG变速器作为DCT变速器的简称。
  变速器从19世纪90年代出现到现在,已经经历了100多年发展变得越来越成熟、越来越耐操、越来越先进。不过,这玩意儿未来将会变成什么样儿,咱们现在确实不那么好说。随着电动车的发展,特别是4轮独立电机驱动的电动车的大规模普及,纵横汽车江湖上百年的变速器灰常有可能从此退出历史舞台,也许有那么一天,咱们只能在博物馆中才能找到,MT、AT、CVT、AMT、DCT这些变速器了,希望那一天我们还能亲眼看到……
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