汽车变速器工作原理

汽车变速器工作原理 汽车变速器工作原理 1.​ 自动变速器工作原理 作者 Karim Nice 本文包括： 1.  引言 2.  离合器和制动带 3.  了解更多信息 4.  阅读所有引擎盖下类文章 引言 如果您驾驶过配备自动变速器的汽车，则应该知道自动变速器和手动变速器之间有两个主要区别： ​ 自动变速器汽车上没有离合器踏板。 ​ 自动变速器汽车上没有换挡机构。只要将变速器挂在前进挡，其他所有操作都会自动进行。 自动变速器（与它的液力变矩器）和手动变速器（与它的离合器）完成一模一样的事情，但它们完成的方式完全不同。 自动变速器的工作方式十分的神奇！ 自动变速器的位置 在本文中，我们将详细讲述自动变速器的原理。 首先您将了解整套系统的关键部件： 行星齿轮组。 然后，我们将告诉您变速器的装配、控制装置的工作原理，并讨论在变速器的控制中涉及到的一些难点。 与手动变速器一样，自动变速器的主要工作是让发动机在较窄的转速范围下运行，并且提供较宽的输出速度范围。 戴姆勒-克莱斯勒公司 供图 梅赛德斯-奔驰CLK自动变速器 如果没有变速器，汽车将会只有一种传动比，而我们也只能选择让汽车以所需的最大速度行驶的那种传动比。 如果您想要的最大速度是130公里/小时，那么传动比应类似于大多数手动变速器中的三挡。 您可能从来没尝试过仅用三挡来驾驶配备手动变速器的汽车。 如果体验一下，您很快会发现在起动时几乎没有加速感。高速行驶时，发动机会发出尖叫，转速表会接近红线。这样的汽车很快就会磨损，以至于几乎无法驾驶。 因此，变速器使用齿轮，以便更有效地利用发动机的扭矩，从而保持发动机在合适的转速下运行。 手动变速器和自动变速器之间的关键不同在于：前者将不同组的齿轮分别锁定到输出轴，以得到各种传动比；而在自动变速器中，同一组齿轮就可得到所有不同的传动比，自动变速器则是通过行星齿轮组来实现这一功能的。 下面让我们来了解行星齿轮组的工作原理。 当我们分解自动变速器以了解其内部结构时，会发现其在相当小的空间内容纳了各种各样的部件。除了其他部件外，您还会看到： ​ 一套精致的行星齿轮组 ​ 一组钢带，用于固定齿轮组的部件 ​ 一组三个湿盘离合器，用于固定齿轮组的其他部件 ​ 一套神奇的液压系统，用于控制离合器和钢带 ​ 一个大型齿轮泵，用于运送变速器液力传动油 我们关注的重点是行星齿轮组。 这个部件的大小与甜瓜相仿，它产生变速器所能生成的所有不同传动比。变速器内的其他所有部件都是为了帮助行星齿轮组完成此工作。博闻网之前已经介绍过这种神奇的齿轮装置，您可以从电动螺丝刀一文中认识这种装置。自动变速器包含两套完整的行星齿轮组，它们组合成一个部件。有关行星齿轮组的介绍，请参见齿轮比原理。 从左到右：齿圈、行星架、两个太阳轮 所有行星齿轮组都有三个主要部件： ​ 太阳轮 ​ 行星齿轮和行星齿轮的齿轮架 ​ 齿圈 每种部件可以作为输入、输出，也可以保持不动。 当各种部件担任不同角色时，可相应得到齿轮组的某一传动比。下面让我们观察单个行星齿轮组。 变速器中的一个行星齿轮组包括一个72齿的齿圈和一个30齿的太阳轮。通过该齿轮组，可以得到很多不同的传动比。 输入 输出 不动 计算 传动比 A 太阳轮（S） 行星架（C） 齿圈（R） 1+R/S 3.4:1 B 行星架（C） 齿圈 （R） 太阳轮（S） 1 /（1+S/R） 0.71:1 C 太阳轮（S） 齿圈 （R） 行星架（C） -R/S -2.4:1 另外，将其中任何两个部件锁定在一起，都会将整个装置锁定在1:1齿轮减速比。 请注意，上面列出的第一个传动比是减速挡——输出速度比输入速度慢。第二个是超速挡——输出速度比输入速度快。最后一个又是减速挡，但输出方向相反。 从这个行星齿轮组还能得到其他几种传动比，不过这几种传动比与我们的自动变速器相关。您可以从下面的动画中试验这几种传动比： Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 与自动变速器相关的不同传动比的动画 单击上表左边的按钮。 因此，不需要啮合或脱离任何其他齿轮，这组齿轮就可以产生所有不同的传动比。两套这样的齿轮组排成一行，就可以得到变速器需要的四个前进挡和一个倒挡。在下一节中，我们会将这两组齿轮放在一起。 这个自动变速器使用一组齿轮，这组齿轮称为组合行星齿轮组。看似单个行星齿轮组，但实际上其运行方式像两个行星齿轮组组合在一起。该齿轮组具有一个始终作为变速器输出的齿圈、两个太阳轮和两组行星齿轮。 下面我们来看看其中的一些部件： 变速器中的齿轮如何组合在一起 从左到右：齿圈、行星架、两个太阳轮 下图显示了行星架中的行星齿轮。请注意，右边的行星齿轮比左边的行星齿轮位置低，并且它不与齿圈啮合，而是与其他行星齿轮啮合。只有左边的行星齿轮与齿圈啮合。 行星架：请注意两组行星齿轮。 接下来，您可以看到行星架的内部。较短的行星齿轮只与较小的太阳轮啮合，较长的行星齿轮既与较大的太阳轮啮合，也与较小的太阳轮啮合。 行星架内部：请注意两组行星齿轮。 下面的动画显示了所有部件在变速器中是如何啮合传动的。 Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 移动换挡杆，观察动力是如何通过变速器传递的。 一挡 在一挡中，较小的太阳轮由液力变矩器中的涡轮顺时针驱动。行星架要逆时针旋转，但被单向离合器（只允许顺时针方向旋转）固定，齿圈成为输出。小齿轮有30齿，齿圈有72齿，因此，根据下方的图表，传动比为： 传动比=-R/S=-72/30=-2.4:1 因此，旋转传动比是负的2.4:1，这意味着输出方向与输入方向相反。但输出方向与输入方向实际上相同——这就是两组行星齿轮的奥秘。第一组行星齿轮与第二组啮合，第二组行星齿轮带动齿圈，这种组合引起反向。可以看到，这还使较大的太阳轮旋转。但由于离合器已松开，因此较大的太阳轮能以与涡轮相反的方向（逆时针）自由旋转。 Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 移动换挡杆，观察动力是如何通过变速器传递的。 二挡 为了获得二挡所需的传动比，变速器的操作十分巧妙。它的运作就像两个行星齿轮组通过一个公共的行星架相互连接。 行星架的第一级实际上使用较大的太阳轮作为齿圈。 因此，第一级包括太阳轮（较小的太阳轮）、行星架和齿圈（较大的太阳轮）。 输入是较小的太阳轮、齿圈（较大的太阳轮）由制动带固定，输出是行星架。对于这一级，由于太阳轮作为输入，行星架作为输出，齿圈固定，因此公式为： 1+R/S=1+36/30=2.2:1 较小的太阳轮每转动一圈，行星架就转动2.2圈。 在第二级，行星架作为第二个行星齿轮组的输入，较大的太阳轮（不动）作为太阳轮，齿圈作为输出，因此传动比为： 1/(1+S/R)=1/(1+36/72)=0.67:1 为得到二挡的整体减速比，我们将第一级乘以第二级：2.2x0.67，得到1.47:1减速比。这听起来有点古怪，但的确有效。 Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 移动换挡杆，观察动力是如何通过变速器传递的。 三挡 多数自动变速器三挡的传动比为1:1。您会记得在上一节中提到我们要得到1:1的输出，所需做的只是将行星齿轮三个部件中的任意两个锁定在一起。对于本齿轮组的排列，甚至更简单——所需做的只是啮合离合器，将每个太阳轮锁定到涡轮。 如果两个太阳轮同向转动，行星齿轮会锁住，因为它们只能反向旋转。这便将齿圈锁定到行星齿轮，使得所有部件作为一个整体旋转，从而产生1:1的传动比。 Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 移动换挡杆，观察动力是如何通过变速器传递的。 超速挡 按照定义，超速挡的输出速度比输入速度快。它的速度会提高，正好与减速挡相反。在本变速器中，啮合超速挡会一次完成两件事情。如果您阅读过液力变矩器工作原理，可能已经了解了锁定液力变矩器。为了提高效率，某些汽车有一个锁定液力变矩器的机构，以便发动机的输出直接传递到变速器。 在本变速器中，啮合超速挡后，连接到液力变矩器外壳的轴（通过螺栓固定到发动机的飞轮）会通过离合器连接到行星架。较小的太阳轮空转，较大的太阳轮被超速挡制动带固定。没有任何部件连接到涡轮，仅有的输入来自变矩器外壳。我们回到图表，这次以行星架作为输入、太阳轮固定、齿圈作为输出。 传动比=1/(1+S/R)=1/(1+36/72)=0.67:1 因此，发动机每转动三分之二圈，输出装置就旋转一圈。如果发动机转速为2000 转/分（RPM），则输出速度为3000RPM。这使得在保持发动机转速缓慢的同时，汽车可以以高速行驶。 Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 移动换挡杆，观察动力是如何通过变速器传递的。 倒挡 倒挡和一挡极为类似，但由液力变矩器涡轮驱动的不是较小而是较大的太阳轮，较小的太阳轮反向空转，行星架被倒挡制动带固定到外壳上。 因此，根据上一页的公式，传动比为： 传动比=-R/S=72/36=2.0:1 这样，本变速器中，倒挡的传动比略小于一挡的传动比。 传动比 本变速器有四个前进挡和一个倒挡。下面让我们来一下传动比、输入和输出： 挡位 输入 输出 固定 传动比 一挡 30齿太阳轮 72齿齿圈 行星架 2.4:1 二挡 30齿太阳轮 行星架 36齿齿圈 2.2:1 行星架 72齿齿圈 36齿太阳轮 0.67:1 二挡总计 1.47:1 三挡 30齿和36齿太阳轮 72齿齿圈 超速挡 行星架 72齿齿圈 36齿太阳轮 0.67:1 倒挡 36齿太阳轮 72齿齿圈 行星架 -2.0:1 阅读了上述内容后，您大概想知道不同的输入装置是如何连接和断开的，其实这些装置是通过变速器内部的一系列离合器和制动带完成的。接下来，我们将了解这些离合器和制动带如何工作。 离合器和制动带 在上一节中，我们讨论了变速器如何得到每种传动比。例如，当我们讨论超速挡时，我们说： 在本变速器中，啮合超速挡后，连接到液力变矩器外壳的轴（通过螺栓固定到发动机的飞轮）会通过离合器连接到行星架。较小的太阳轮空转，较大的太阳轮被超速挡制动带固定。没有任何部件连接到涡轮，仅有的输入来自变矩器外壳。 为了将变速器转到超速挡，必须通过离合器和制动带连接和断开许多部件。行星架通过离合器连接到液力变矩器外壳。较小的太阳轮通过离合器从涡轮断开，使其能够空转。较大的太阳轮通过制动带固定到外壳，使其无法旋转。每次换挡都触发一系列类似的操作，只不过啮合与脱离的离合器和制动带不同。下面让我们观察一下制动带。 在本变速器中，有两副制动带。变速器中的制动带实际上是钢带，缠绕在齿轮系的截面上，连接到外壳，它们通过变速器壳内的液压缸驱动。 其中一个副制动带 在上图中，您可以在变速器的外壳中看到其中一条制动带。齿轮系已移除，金属杆连接到活塞，而活塞驱动制动带。 此处可以看到驱动制动带的活塞。 在上图中，您可以看到驱动钢带的两个活塞。通过一组气门传送到气缸的液压使活塞推动钢带，将这个齿轮传动系的部件固定在外壳中。 变速器中的离合器有一点复杂。在本变速器中有四个离合器，每个离合器都是由增压过的液压油驱动，这些液压油进入到离合器内的活塞中。当弹簧确保当压力下降时，离合器松开。下面您可以看到活塞和离合器鼓。请注意活塞上的橡胶密封圈——当保养变速器时，它是要更换的部件之一。 变速器中的一个离合器 下图显示的是离合器摩擦材料和钢片的交互层。摩擦材料在内部用花键连接，从这里锁定到其中一个齿轮；钢片在外部用花键连接，从这里锁定到离合器壳。在大修变速器时，也要更换这些离合器片。 离合器片 通过轴上的通道为离合器提供压力，可以在任何时刻用液压系统来激发那些离合器和制动带。 如果汽车挂驻车挡 锁住变速器不让它旋转似乎很简单，但实际上对这种装置有一些复杂的要求： ​ 汽车在斜坡上时，必须能脱离啮合（汽车的自重施加在机构上）。 ​ 即使换挡杆没有与齿轮对齐，您也必须能够接合此机构。 ​ 一旦接合，某个部件必须阻止换挡杆弹出和脱开。 要达到所有这些要求的机构相当精妙，接下来让我们首先观察其中的一些部件。 变速器的输出：方形槽口被驻车制动器机构啮合，保持汽车静止。 驻车制动器装置啮合输出装置上的齿，从而保持汽车静止。变速器的该部位钩住驱动轴。因此，如果该部位不旋转，汽车不会运动。 驻车制动器机构穿过变速器的空壳，如同汽车驻车时那样。 从上图中，您看到驻车装置凸出到齿轮所在的壳体中。请注意它有锥形边缘，这有助于在斜坡上驻车时，将驻车制动器脱离啮合——由于锥角的存在，汽车的重力可帮助将驻车装置推出位置。 此杆驱动驻车机构。 此杆连接到一根由车中的换挡杆所操纵的拉线。 驻车机构顶视图 当换挡杆置于驻车挡时，该杆推动弹簧紧靠小的锥形衬套。如果驻车装置已对齐，从而可以落入输出轴齿轮部分中的一个槽口，那么锥形衬套会向下推动驻车装置。如果该装置是在输出轴的某个高点上对齐，那么弹簧将推动锥形衬套，但换挡杆只有在汽车稍微移动并且齿正确对齐时才会锁入位。这就是为何有时候在你挂到驻车挡且松开制动踏板之后，汽车会移动很小距离的原因——它必须滚动少量距离，从而使得轮齿对齐，驻车装置落入适当的位置。 一旦安全驻车，衬套将压住换挡杆不动。所以即使汽车在坡上，换挡杆也不会弹出驻车挡。 汽车上的自动变速器必须完成很多任务，您可能没有意识到它的运行方式如此之多。 例如，以下是自动变速器的一些功能： ​ 如果汽车位于超速挡（在四速变速器上），变速器将根据车速和节气门踏板位置，自动选择齿轮。 ​ 如果您缓慢加速，则换挡速度会比您在节气门全开状态下加速的换挡速度要低。 ​ 如果您把加速踏板踩到底，变速器将降到下一个较低挡。 ​ 如果您将选挡杆移到某个低挡，只要车速对于这一挡来说不是太快，变速器就会降挡。 如果车速太快，它将等到车慢下来，然后降挡。 ​ 如果您将变速器挂到二挡，那么，除非您移动换挡杆，否则即使变速器完全停止也不再降挡或升挡。 您之前可能已看到过类似的东西，这的确是自动变速器的大脑，它管理所有这些功能，甚至还有更多功能。您所看到的通道将变速器油引到变速器中的所有不同部件。浇铸到金属中的通道是一种高效的流体引导工具，如果没有它们，您将需要很多软管来连接变速器的各种部件。接下来，我们将讨论液压系统的关键部件。然后，我们再来观察它们是如何一起工作的。 自动变速器有一个精妙的泵，称为齿轮泵。这个泵通常位于变速器的盖中，它从变速器底部的贮槽中抽取变速器油并供应到液压系统。此外，它还供应变速器的冷却器和液力变矩器。 自动变速器的齿轮泵 泵的内部齿轮连在液力变矩器的壳上，因此它与以发动机相同的转速旋转。内部齿轮带动外部齿轮转动，在齿轮转动时，变速器油从月牙形一侧的贮槽抽出，被推到另一侧的液压系统。 调速器是一个聪明的阀，它可以告诉变速器汽车的速度。它连接到输出装置，因此汽车运动越快，调速器旋转就越快。调速器内部是一个弹簧加载阀，它的打开程度与调速器旋转速度成正比，即调速器旋转越快，阀打开程度越大。变速器油从泵通过输出轴供应到调速器。 车速越快，调速器打开程度越大，它允许通过的液体压力就越大。 调速器 为正确换挡，自动变速器必须了解发动机的负载状况。它通过两种不同方式做到这点。某些汽车有一个简单的拉线连杆，连接到变速器中的节气阀。加速踏板踩下的越多，施加给节气阀的压力就越大。另一些汽车则使用真空调节器，向节气阀施加压力。真空调节器感知总管压力，当发动机负载加大时，总管压力便下降。 换挡杆连接到手动阀。根据所选的齿轮，手动阀供应抑制相应齿轮的液压回路。例如，如果换挡杆位于三挡，它会供应防止超速挡啮合的回路。 换挡阀将液压供应到离合器和制动带，以啮合各个齿轮。变速器的阀体包含数个换挡阀，换挡阀确定何时从一个挡位换挡到下一个挡位。例如，1到2换挡阀确定了何时从第一挡换到二挡。换挡阀通过来自一侧调速器的液体加压，节气阀则通过另一侧的调速器加压，它们共同由泵来供应液体，将液体引到两个回路之一，以控制汽车以哪个挡位运行。 换挡回路 如果汽车飞快加速，换挡阀将延迟换挡；反之，如果汽车缓慢加速，将在较低的速度下换挡。接下来让我们讨论一下当汽车缓慢加速时的情形。 随着汽车速度提升，来自调速器的压力逐渐累积。 这使得换挡阀超压，直到一挡回路关闭，二挡回路打开。 由于汽车在节气门略微打开的情况下加速，因此节气阀无法对换挡阀提供很大的压力。 当汽车飞快加速时，节气阀对换挡阀提供更大的压力。这意味着，来自调速器的压力必须更高（从而车速必须更快）。只有这样，换挡阀才能移动足够距离，以啮合二挡。 每个换挡阀对应特定的压力范围，因此当汽车速度较快时，将由2到3换挡阀接管，因为来自调速器的压力足以触发该阀。 有时，在某些新型汽车上出现了电控变速器，它仍使用液压来驱动离合器和制动带，但每个液压回路都是通过电磁阀来控制的。这便简化了变速器上的管道系统，可实现更高级的控制模式。 在上一节中，我们已看到机械控制变速器所用的一些控制策略。而电控变速器的控制模式则更为精妙：除了监视车速和节气门位置以外，变速器控制器还能监视发动机转速，监视驾驶者是否在踩制动踏板，甚至监视防抱死制动系统。 通过使用这些信息以及基于模糊逻辑的高级控制策略（模糊逻辑是一种编程控制系统使用人类推理的方法），电控变速器可完成以下工作： ​ 下坡时自动降挡，以控制速度并减少制动器磨损 ​ 在光滑表面刹车时升挡，以减小发动机施加的制动力矩 ​ 在蜿蜒的公路上转弯时限制升挡 下面让我们来说说最后一项功能——在蜿蜒的公路上转弯时限制升挡。假定您正在蜿蜒的山路上开车上坡，当您在道路的直线部分驾驶时，变速器换到二挡，给您足够的加速度和爬坡动力。当您进入弯道时会减速，将脚从加速踏板移开，可能还要踩刹车。当您将脚从加速踏板移开时，大多数变速器将升到三挡，甚至超速挡。然后，当您出弯加速时，它们再降挡。但是，如果您在驾驶手动变速器的汽车，可能会在整个过程中将汽车置于同一挡位。当您经历了几次这样的弯道之后，某些具有高级控制系统的自动变速器可以探测到此情况，并“学会”不再升挡。 2.​ 手动变速器工作原理： 引言 戴姆勒克莱斯勒供图 奔驰C级轿车的六速手动变速器 如果您开的是用换挡杆换挡的汽车，您脑海中可能会浮现这几个问题： ​ 通过换挡按钮换挡的H形跟变速器内的齿轮有什么关系吗？ 移动变速杆时，变速器中哪些部件会移动？ ​ 因操作不当而听到可怕刺耳的声音时，这个刺耳的声音是从哪里发出的？ ​ 汽车在高速公路上减速时，如果不小心换到倒挡会出现什么情况？是不是整个变速器都会爆炸？ 在本文中，我们将了解手动变速器的内部结构，从而回答以上所有问题以及相关问题。 汽车需要变速器，这是由汽车发动机的物理特性决定的。 首先，任何发动机都有速度极限，转速超过这个最大值，发动机就会爆炸。 其次，如果读过马力及其应用，您就会知道，在马力和扭矩都达到最大值时，发动机的转速变化范围很小。 例如，发动机可能在5,500转/分时产生最大马力。 在汽车加速或者减速时，变速器的存在使发动机与驱动轮之间的齿比能够发生变化。 通过改变齿比，就能使发动机转速保持在速度极限以下，并且使发动机接近最佳性能转速区。 戴姆勒克莱斯勒供图 奔驰Actros重型卡车的手动变速器 在理想情况下，变速器齿比变化范围非常大，因而发动机总是以单一的最佳性能转速运行。 这就是无级变速器 (CVT) 的概念。 CVT的齿比范围几乎没有任何限制。 过去，CVT在成本、尺寸和可靠性方面都不能与四速和五速变速器抗衡，所以在量产汽车中看不到它们。 目前，设计方面的改善使CVT得到了普及。 丰田普锐斯就是使用CVT的混合动力汽车。 变速器通过离合器与发动机连接。 因此，变速器输入轴的转速与发动机相同。 戴姆勒克莱斯勒供图 奔驰C级运动型跑车六速手动变速器 五速变速器为输入轴提供五种不同的齿比，以便在输出轴产生不同的转速值。 以下是一些典型的齿比： 挡位 速比 发动机转速为3000转/分时 变速器输出轴的转速 一挡 2.315:1 1,295 二挡 1.568:1 1,913 三挡 1.195:1 2,510 四挡 1.000:1 3,000 五挡 0.915:1 3,278 有关无级变速器工作原理的更多信息，请参考 CVT（无级变速器）工作原理。 接下来让我们看看简单的变速器。 为了帮助了解标准变速器的基本原理，下图显示了处于空挡状态的简单两速变速器。 让我们来看看图中的每一个部件，以及它们是如何装配的： ​ 绿色轴将发动机与离合器连接起来。 绿色轴和绿色齿轮连在一起，形成一个整体。 （离合器是用于连接发动机和变速器或断开其间连接的装置。 踩下离合器踏板时，发动机与变速器断开，此时虽然汽车并不移动，但发动机仍在运转。 而松开离合器踏板时，发动机和绿色轴就直接连在一起。 绿色轴和齿轮的转速与发动机相同。) ​ 红色轴及红色齿轮称为副轴。 它们也连为一个整体，因此副轴上的所有齿轮和副轴本身作为整体旋转。 绿色轴与红色轴直接通过各自的啮合齿轮连接起来，所以当绿色轴转动时，红色轴也会转动。 因此，一旦离合器接合，副轴就直接从发动机获得动力。 ​ 黄色轴是花键轴，通过连接到汽车驱动轮的差速器直接与驱动轴相连。 如果车轮转动，黄色轴也将随之转动。 ​ 蓝色齿轮连在轴承上，因此会随黄色轴转动。 如果发动机已关闭，但汽车还在滑行，则在蓝色齿轮和副轴停止运动时，黄色轴仍可能在蓝色齿轮内部转动。 ​ 轴环将两个蓝色齿轮中的一个连接到黄色驱动轴上。 它通过齿槽直接与黄色轴相连，并与黄色轴一起转动。 但轴环也可以沿着黄色轴左右滑动，从而选择性地接合两个蓝色齿轮中的一个。 轴环中的齿称为犬齿，可与蓝色齿轮侧面的孔相接合。 一挡齿轮 下图显示了当轴环换到一挡时如何结合右边的蓝色齿轮： 图中，发动机的绿色轴转动副轴，副轴则转动右边的蓝色齿轮。 齿轮通过轴环驱动黄色驱动轴。 同时，左边的齿轮也在转动，但只是在其轴上空转，对黄色轴并不产生影响。 当轴环位于两个齿轮之间时（如第一图所示），变速器为空挡状态。 黄色轴上以不同速率运转的两个蓝色齿轮都通过其与副轴的速比来控制。 通过以上讨论，您可以回答以下几个问题： ​ 在换挡时，如果操作错误，听到可怕的碾磨声，这个声音不是误啮合齿轮发出的。 从图中可以看出，所有轮齿总是处于完全啮合状态。 这种碾磨声是犬齿接合蓝色齿轮侧孔失败发出的。 ​ 这里显示的变速器没有“同步”（在下文中讨论），所以使用此变速器时，您必须双踩离合。 双踩离合在老式汽车中很常见，而在一些现代赛车中也仍然很常用。 在双踩离合时，先合下离合踏板，使发动机与变速器分离。 这样可消除犬齿的压力，从而将轴环切换至空挡状态。 然后松开离合器踏板，使发动机恢复“正确速度”。 该速度就是发动机下一齿轮的运转速度。 这样做的目的，在于使下一个蓝色齿轮与轴环以相同的转速运行，这样犬齿就能接合。 然后再次踩下踏板并将轴环锁定到新齿轮中。 每换一个齿轮，都必须踩下和松开两次离合器，因此称为“双离合”。 ​ 另外，您还可以了解换挡按钮的微小线性位移怎样实现齿轮更换。 换挡按钮移动连接到拨叉的杆。 拨叉使轴环在黄色轴上滑动，从而与两个齿轮中的一个接合。 现在我们来看看真正的变速器。 下面的动画显示了一个带倒挡的四速变速器的内部工作状况。 Your browser does not support JavaScript or it is disabled. Geebee's Vector Animations提供动画 如今，五速手动变速器在汽车上已经相当普遍了。 其内部结构如下图所示： 有三个拨叉，由换挡杆接合的三个杆控制。 俯看换挡叉轴，它们在空挡、倒挡、一挡和二挡中的情形如下图所示： 注意，换挡杆中部有一个旋转点。 在将旋钮前推接合一挡齿轮时，实际上是在推动杆和拨叉，以便将一挡齿轮拉回来。 可以看到，左右移动变速杆也是在接合不同的拨叉（从而接合不同的轴环）。 将旋钮前后移动也就移动了轴环，使它们接合一个齿轮。 倒挡齿轮由一个小惰轮（紫色）来操控。 该图中的蓝色倒挡齿轮总是与其他所有蓝色齿轮的转动方向相反。 因此，当汽车前进时，不可能将变速器切换到倒挡（因为犬齿不能啮合）。 但它们会产生大量的噪音！ 同步器 新式客车的手动变速器采用同步器，这样就不需要使用双踩离合。 同步器的作用是，在与犬齿接触前，使轴环与齿轮发生有摩擦的接触。 这样，在犬齿接合前，就可以使轴环和齿轮速度达到同步，如图所示： 蓝色齿轮上的锥体接合轴环中的锥形区域，锥体与轴环间的摩擦使轴环和齿轮同步。 轴环的外部随之滑动，使犬齿接合齿轮。 不同制造商生产的变速器和同步器的实现方式各不相同，但基本原理是一样的。 3. CVT（无级变速器）工作原理 本文包括： 1.  引言 2.  其他类型的CVT 3.  CVT的优点 4.  了解更多信息 5.  阅读所有引擎盖下类文章 引言 有人说，年老守旧的人无法接受新事物。但无级变速器(CVT)的概念却是莱昂纳多·达·芬奇(Leonardo da Vinci)早在500多年前就已经提出了，现在，无级变速器在一些汽车中将取代行星齿轮自动变速器，从这个意义上讲，年老守旧的人却已经走在了前面。事实上，自1886年申请第一台环形CVT专利后，这项技术就已经得到了细化及改进。当今，多家汽车制造商（包括通用汽车、奥迪、本田和日产）正在围绕CVT设计动力传动系统。 日产汽车公司供图 带有Xtronic CVT的日产HR15DE发动机 在此文章中，我们将探究CVT在典型后轮驱动汽车中的作用，并在此过程中解答很多问题： ​ CVT与传统行星自动变速器相比如何？ ​ 它有哪些配件以及这些配件的作用？ ​ 与传统自动变速器相比，CVT有哪些优点？ 有哪些缺点？ ​ 驾驶一辆装有CVT的汽车，感觉如何？ ​ 哪些构造和车型采用了CVT？ ​ 除了在汽车中，CVT还有其他方面的应用吗？ 现在开始了解一些变速器的基本知识。 如果您在自动变速器工作原理一文中读过有关自动变速器结构和功能的内容，就会知道变速器的作用是改变汽车发动机和车轮之间的速比。换句话说，没有变速器的汽车只有一个档位，这个档位使汽车以期望的最高速度行驶。想象一下，您驾驶着一辆只有一档或三档的汽车，只有一档的汽车从完全停止状态正常加速，并且可以攀爬陡峭的坡地，但它的最高速度将限制在每小时几公里。 另一种情况下，只有三档的汽车将以130公里/小时的速度在公路上飞驰，但在起动后，几乎没有加速度，而且不能爬坡。 因此，随着驾驶条件的更改，变速器的使用可以在从低到高的档位范围内更有效地利用发动机扭矩，并可以手动或自动控制这些档位。 戴姆勒-克莱斯勒公司供图 梅赛德斯-奔驰CLK自动变速器 在传统自动变速器中，档位实际上是齿轮，即帮助发送和修改旋转运动和扭矩的联锁齿轮。行星齿轮的组合将产生变速器能够产生的所有不同的传动比，该组合通常包含四个前进档和一个倒档。当此类变速器循环通过其齿轮，驾驶员在每个档位啮合时会感觉到颠簸。 CVT基本知识 无级变速器与传统的自动变速器不同，它不带一组齿轮组成的齿轮箱，这意味着它没有联锁齿轮。最常见类型的CVT可以在设计精巧的皮带轮系统上操作，该皮带轮系统可以在最高档位和最低档位间提供无限的可变性，而没有不连续的步骤或换档。 福特汽车公司供图 带有CVT的福特自由行Duratec发动机 如果您想知道为什么在CVT的解释中还是会出现“档”这个字，请记住，一般来说，档是指发动机轴转速与传动轴转速的比率。虽然CVT不使用一组行星齿轮来改变这个比率，但习惯上还是说成挂低“档”和挂高“档”。 无档位： CVT革新年表 ​ 1490年——达芬奇绘制了无级变速器的草图 ​ 1886年——申请第一台环形CVT专利 ​ 1935年——亚迪耶·道奇收到了环形CVT的美国专利证 ​ 1939年——引入了基于行星齿轮系统的全自动变速器 ​ 1958年——达夫（荷兰人）生产出用于汽车的CVT ​ 1989年——斯巴鲁·贾斯蒂GL是第一辆在美国生产销售的CVT汽车 ​ 2002年——带有CVT的Saturn Vue首次亮相，是第一辆使用CVT技术的Saturn ​ 2004年——福特开始使用CVT 基于皮带轮的CVT 日产汽车公司供图 基于皮带轮的CVT 观察行星自动变速器，您会看到一个由齿轮、制动器、离合器和控制部件组成的复杂装置。比较而言，无级变速器真是简单至极。多数CVT只有三个基本部件： ​ 高功率金属或橡胶皮带 ​ 可变输入“驱动”皮带轮 ​ 输出“从动”皮带轮 CVT还有各种微处理器和传感器，但上述三种部件是实现此项技术的关键元件。 可变直径皮带轮是CVT的核心。每个皮带轮都由两个相对的20度圆锥组成。皮带位于两个圆锥之间的凹槽中。如果皮带是橡胶的，则最好使用V型皮带。V型皮带是由于皮带的横截面为V型而得名，它可增加皮带的摩擦粘着力。 当皮带轮的两个圆锥离的很远（即直径增大时），皮带位于凹槽中的较低位置，而围绕皮带轮转动的皮带半径将变小。当皮带轮的两个圆锥离的很近（即直径减小时），皮带位于凹槽中的较高位置，而围绕皮带轮转动的皮带半径将变大。CVT可以使用液压压力、离心力或弹簧张力来产生调整皮带轮半轴所需的力。 可变直径皮带轮必须始终成对出现。其中一个皮带轮，称为驱动皮带轮，它连接到发动机的曲轴上。驱动皮带轮也称为输入皮带轮，因为正是通过该皮带轮将发动机的能量传输给变速器。另一个皮带轮称为从动皮带轮，这是因为要通过第一个皮带轮来转动它。从动皮带轮作为输出皮带轮，可以将能量传输给驱动轴。 皮带轮中心与皮带在凹槽中的接触位置之间的距离即为节圆半径。当皮带轮远离时，皮带位于较低处，且节圆半径减小。当皮带轮靠近时，皮带位于较高处，且节圆半径增加。驱动皮带轮的节圆半径与从动皮带轮的节圆半径之比决定了档位的高低。 当一个皮带轮的半径增加时，另一个皮带轮的半径将减小以保持皮带紧绷。随着两个皮带轮改变它们相互的半径，将产生了无数个传动比——从低到高的所有值。例如，当驱动皮带轮的节圆半径较小，而从动皮带轮的半径较大时，从动皮带轮的旋转速度将减小，从而产生较低的“档”。当驱动皮带轮的节圆半径较大，而从动皮带轮的半径较小时，从动皮带轮的旋转速度将增加，从而产生较高的“档”。因此在理论上，CVT在任何时候、任何发动机上或处于任何车速时都具有可以运行的无数个“档”。 CVT的简单性和连续性使其成为适用于各种机器和设备（不仅是汽车）的理想变速器。CVT在动力工具和压钻机中的应用已有多年历史。它们还用在各种车辆中，包括拖拉机、雪地车和小型摩托车。在所有这些应用中，变速器均采用高密度橡胶皮带，它会滑动和伸展，因此会降低它们的效率。 新材料的引进使CVT变得更可靠和高效。连接皮带轮的金属带的设计和开发是一项最重要的改进。这些柔韧的皮带由多种（通常为9或12种）薄带钢组成，这些薄带钢又由高强度、领结形的金属束集而成。 金属带设计 金属带不会滑动而且高度耐用，使CVT可以承受更大的发动机扭矩。此外，它们也比橡胶皮带驱动的CVT噪音更低。 其他类型的CVT 环形CVT 另外一种CVT——环形CVT系统，用盘片和动力滚子代替了皮带和皮带轮。 日产汽车公司供图 日产Extroid环形CVT 虽然这种系统看起来有很大的不同，但其所有的部件都与皮带和皮带轮系统类似，所以它们是相同的装置，即无级变速器。下面是它的工作原理： ​ 一个盘片连接到发动机上。这相当于驱动皮带轮。 ​ 另一个盘片连接到驱动轴上。这相当于从动皮带轮。 ​ 滚子或车轮位于作用类似于皮带的盘片之间，将动力从一个盘片传送到另一个盘片。 轮子可以沿两个轴旋转。它们围绕水平轴旋转并沿垂直轴内侧或外侧倾斜，这样车轮就可以接触盘片的不同区域。当车轮接触驱动盘片的中心处附近时，它们必须接触从动盘片的轮缘附近，从而降低速度并增加扭矩（即低挡）。而当车轮接触驱动盘片的轮缘附近时，它们必须接触从动盘片的中心附近，从而增加速度并减小扭矩（即超速挡）。车轮的微小倾斜将逐渐增加传动比，从而产生平稳的、几乎是瞬时的比率变化。 液压CVT 皮带轮和V型皮带CVT以及环形CVT都是摩擦式CVT，它们都是通过改变两个旋转体之间接触点的半径来起作用。还有另一种类型的CVT，称为液压CVT，它使用变排量泵来改变流入液压电机的液体量。在这类的变速器中，发动机的旋转运动可在驱动侧的液压泵上进行。该泵将旋转运动转化为液体流。然后，使用从动侧的液压电机，将液体流转换回旋转运动。 通常，液压变速器与行星齿轮组和离合器组合形成混合型系统，称为液压机械变速器。液压机械变速器可以用三种不同的模式将动力从发动机传输到车轮上。在低速时，动力通过液压传输；在高速时，动力通过机械传输。介于这两种极端情况时，变速器则采用液压和机械两种方式传输动力。液压机械变速器是重型应用的理想选择，这就是为什么它在农用拖拉机和适合各种地形的车辆中使用很普遍的原因。 CVT的优点 无级变速器的优点使它的应用越来越普遍。它的诸多优点使它们越来越多地受到驾驶员和环保主义者的青睐。下表描述了CVT的一些重要功能和优点。 CVT的优点 功能 优点 从完全停止到巡航速度的恒定、无级加速 消除了“换档冲击”，使驾驶更平稳 无论汽车的行驶速度有多快，都可以使汽车保持最佳的动力范围 提高了燃油利用效率 灵活地响应条件变化，如节气门和速度变化 消除了在汽车降速（尤其是爬坡时）时的齿轮抖动 CVT的动力损失比普通自动变速器更低 更平稳地加速 更好地控制汽油机的速度范围 更好地控制排放 可以结合自动机械离合器 代替低效的液力变矩器 在欧洲，带有CVT的汽车已经普及多年了。但这项技术却花了一段时间才在美国站稳脚跟。美国生产的第一辆CVT汽车是斯巴鲁Justy。 斯巴鲁（法国）供图 斯巴鲁Justy 从1989年到1993年之间，在销售上贾斯蒂一直受到美国驾驶员的冷落。那么，基于CVT的新型汽车（例如土星Vue、奥迪A4和A6、日产美伦奴和本田 Insight）有什么不同之处呢？回答该问题的最好方式是“试驾”其中的一辆车。下面的动画为比较带有CVT的汽车与不带有CVT的汽车的加速提供了一个直观的试驾体验。 当踩下带有无级变速器汽车的加速踏板时，您就会立即感觉到差异。发动机的转动能直接上升到它产生最大功率的转速，并保持该速度。但汽车不会立即响应。过一会儿，变速器开始工作，对汽车进行缓慢、稳定的加速，而无需任何换档。 理论上，带有CVT的汽车达到100公里/小时比具有相同发动机和手动变速器的相同汽车快25%。这是因为CVT将发动机运转曲线上的每一点都转化成了它本身运转曲线上的相应点。 如果看一下不带CVT汽车的功率输出曲线，您就会发现的确如此。请注意：这种情况下的转速表显示了在每个齿轮变化时发动机的转速变化，这在功率输出曲线中为峰值（也就是驾驶员感觉到的颠簸）。 CVT在爬山时同样高效。由于CVT无级地循环下降至适合于驾驶条件的传动比，因此不存在“齿轮抖动”。而传统的自动变速器要来回换档，以尝试找出合适的档位，这样就非常低效了。 除了所有这些优点，CVT也存在一些缺点。在美国，他们正在试图克服形象问题。例如，斯巴鲁Justy被认为是不重要的微型汽车。习惯上，皮带驱动的CVT的扭矩量限制在它们可以处理的范围，它比自动和手动的变速器更大、更重。虽然CVT凭借技术优势加入了竞争（日产美伦奴的CVT可以处理3.5升、245马力V6发动机），但第一印象仍很难改变。