3.2 利用齿轮实现发动机的自由变速

发动机的旋转经由离合器传递至变速器。变速器是增大发动机的旋转力或者加快发动机转速的变换装置。我们把减慢转速、增大旋转力称为减速;相反,把加快转速称为加速。减速和加速合称为变速

观察变速器的内部可以发现,里面密密麻麻地排列着好几组齿轮,每组都由一个小齿轮和一个大齿轮组成(图3.3)。通过切换这些齿轮组,就能加快发动机转速,从而使汽车加速。

变速器的结构

图3.3 变速器的结构
※从四组齿轮组中选择一组与轮胎一侧的输出轴相连

如果没有变速器的齿轮组,即使发动机的旋转驱动了汽车,汽车也很难在慢速和快速之间自由变换。

驾驶时将变速杆拨动到1档,是为了在变速器的齿轮组中选择能够产生强劲动力的组合。这是因为驱动静止的车需要很大的力量。

当驾驶员拨动变速杆时,变速连杆会前后移动,且拨叉也会带动牙嵌式离合器移动,使得1档的齿轮组与输出轴相连(图3.3中的1档)。接着,左边的发动机一侧输出的旋转力会首先到达下一级齿轮,经由1档齿轮组,再回到上一级传递至驱动轮。这样一来,汽车就发动了。

在变速器内,发动机旋转力的传递之所以会途经下一级,是因为从发动机引出的输入轴和引入轮胎的输出轴高度相同,当两个齿轮啮合时,如果不先把旋转力传递至下一级,变速后输出轴的高度就会降低。不将两个轴错开放置是因为这样能把发动机和动力传动系整体设置在车身中较低的位置上。4档时,4档齿轮与输出轴连成了一条直线,可以直接将旋转力传递至驱动轮,不需要经过下一级齿轮。

与1档同理,2档时通过连接2档齿轮和输出轴、3档时通过连接3档和输出轴,实现齿轮的切换。

为什么需要这种大小齿轮的组合呢?这是因为汽车有时需要输出动力或者输出速度,而使用大小齿轮的组合能够实现这两个目标。

车型不同,重量就不同。我们平时驾驶的小型汽车重量多在1吨以上,微型车也有800kg~900kg,一个人是无法推动的。

而小型汽车的发动机功率约为100马力,发动机扭矩约为15kg·m。15kg·m的扭矩相当于举起离自己1m远、重15kg的物品所需的力。以这样的扭矩驱动1吨重的汽车,很不可思议吧。

发动机产生的力实际上是很小的。但是如果想增大发动机的力,就需要排气量大且又大又重的发动机。这样一来,人们的乘坐空间就会变窄,汽车也会越来越重。因此,为了使小发动机也能产生强劲动力,推动汽车平稳迅捷地加速,就要充分利用变速器的齿轮组。

我们假设变速器中大小齿轮组的直径比分别为4:1、3:1、2:1和1:1。1档为4:1,2档为3:1,依此类推。实际上,直径比大都精确到小数点以后,我们为了方便讲解,暂且按照上述的直径比这样假设。1档时使用4:1的齿轮,就能将发动机扭矩扩大为原来的4倍传递至轮胎。也就是说,假设发动机扭矩为15kg·m,就能将60kg·m的力传递到轮胎。

在变速器后面有一个差速器(差速装置),也是利用大小齿轮的组合增大发动机扭矩的(之后还会讲到),其比率约为4:1。因此,通过变速器的1档齿轮增大到60kg·m的发动机,扭矩会再增加至240kg·m,传递至驱动轮。也就相当于举起离自己1m远、重240kg的重物时需要的力。这样一来,小型汽车就能够发动了。

你可能会觉得相对于重达1吨的车,240kg·m的力有些小。但是汽车发动时并不需要举起汽车,只要驱动轮胎就可以了。因此这些力就足够了。

发动机扭矩和发动机功率

扭矩和功率都是表示发动机性能的词,你听说过吗?这里我就解释一下扭矩和功率。

扭矩表示力的大小,以前用kg·m(千克·米)作为单位,现在多用N·m(牛顿·米)。相比之下,kg·m(千克•米)更容易解释扭矩。用kg·m(千克·米)作为单位,可以将扭矩表达为“举起离自己1米远的重多少千克的物品时需要的力”。

N·m和kg·m之间的换算很简单,两者有如下关系:

1kg·m=9.8N·m

也就是说,可以把N·m看做kg·m的约10倍。这样一来,即使汽车性能表中发动机那一项使用的单位是N·m,你也不会弄混啦。

而功率(输出功率)的单位是马力(PS)。最近,由于表示方法也在趋向国际化,所以多用表示电力的kW(千瓦)来表示功率。但因为马力与发动机的关系更密切,因此我还是想用马力来解释功率。

所谓马力,是用来表示一匹运货马在一定时间内所能搬运的货物重量,即一匹运货马所做的功,而不是指一匹马力量的大小。发明了蒸汽机的英国人詹姆斯·瓦特为了表示蒸汽机的效率提出了这一表示方式,是以当时的主要动力——马为基准的。

他将一匹运货马在1秒钟内把重达550磅(约250kg)的重物拉动1英尺(约30cm)所做的功定为1马力(HP,Horse Power)。在英国使用的磅或码在国际单位制中可以换算成1.01PS,在国际单位制中表示马力的PS是取德语中Pferde Starke(马的力)的首字母。国际单位制诞生于法国,因此也被称为法国马力。

目前作为主流的kW与马力有如下的关系:

1PS=0.735kW

比起PS,用kW表示时数值要小一些。

总之,扭矩指的是力本身,而功率是指做功量。扭矩表示爆发力的大小,因此简单来说是由排气量的大小决定的。功率表示做功量,因此它与汽车能够行驶得多快多远(即速度)有关。即使是排气量小、扭矩小的发动机,只要能提高转速,也能够增大功率。

扭矩的大小反映出汽车能否运载大量的人和货物,功率的大小反映出汽车能否行驶得又快又远。因此,扭矩和功率就成为衡量汽车性能的重要标准。

汽车能以1档起步,但大家都知道,1档时即使将发动机转速提到最高,汽车的时速也只能达到20km~30km。此时发动机轰鸣,喧闹不堪,你却手足无措。你肯定会想,能不能既安静又舒适地提高汽车速度呢?这就需要把齿轮切换至2档或3档了。

切换齿轮,就是切换变速器中的齿轮组合,也就是改变齿轮的直径比,即1档使用4:1的齿轮组,2档用3:1,3档用2:1,1档用1:1(图3.4)。4档使用1:1的齿轮组时,发动机的旋转力就能原原本本地传递到驱动轮。

1档~4档使用的齿轮组一览
图3.4 1档~4档使用的齿轮组一览

刚才我讲过,1档时发动机的扭矩增大到原来的4倍。这其实是利用了齿轮的大小比率。

如图3.4所示,1档时虽然增大了力,但转速降至原来的1/4。这是因为旋转力从小齿轮传递至大齿轮时,小齿轮旋转一次大齿轮才旋转1/4次。因此,1档时虽然提高了发动机一侧齿轮的转速,但传递到轮胎的转速并没增加多少,所以时速才只有20km~30km。

为了提高速度,就需要提高在驱动轮一侧传递旋转力的齿轮的转速。如果将齿轮的直径比变为3:1或2:1,使小齿轮的转速逐渐接近大齿轮,就能提高驱动轮的转速从而给汽车提速。如图3.4所示,当4档时齿轮的直径比为1:1,两侧的旋转力和转速就相同了。变速器就是这样切换大小齿轮组的。

读到这里,你可能会有疑问:发动重达1吨的汽车需要很大的力,那发动后就没必要增大发动机的力了吗?

我在第2章讲到发动机的飞轮时讲过一个物理原理,即重物的确很难开始运动,但一旦开始就很难停止。这就是物体的惯性力。比如骑自行车时,自行车起动后只需很小的力就能继续前进。甚至即使不用力踩脚踏板,它也能暂时保持速度不变。汽车也是如此。虽然从静止到发动需要很大的力,但一旦发动,就不需要那么大的力了。因此,汽车一旦发动,相对于力的大小,更加关注的是速度的快慢,力图通过缩小大小齿轮的直径比完成加速。

既然大家都已经了解了变速器内齿轮的作用,那么下面我就来讲一下变速器内齿轮的组合方式。

之前我讲过,汽车的变速器内排列了多组直径比不同的大小齿轮组。请再返回去看一下图3.3。

如图3.3所示,从右侧开始并排放置了直径比分别为4:1、3:1、2:1和1:1的4组齿轮组。这就是4档变速器。

汽车的齿轮切换,是指驾驶员根据汽车的行驶速度选择适当的齿轮组。虽说叫齿轮变换,但并不是每次都要改变齿轮的组合,而是事先准备好成套的齿轮,因此我们称之为常啮合式变速器

那么,当4个档位的齿轮组合全部啮合时,该怎样进行齿轮切换呢?

进行齿轮切换时,要先将变速杆拨动至空档状态,这时所有齿轮组合都不与将旋转力传递至轮胎的输出轴相连,各个齿轮都处于空转状态。当驾驶员把变速杆拨动至1档时,1档的齿轮组合借助牙嵌式离合器与输出轴啮合相连。牙嵌式离合器虽然也叫离合器,但它不同于我在讲解将发动机的旋转力传递至变速器时所说的离合器。

牙嵌式离合器是指两个齿轮通过像犬牙一样的啮合来相互接合的传递装置(图3.5)。1档时,齿轮一侧(发动机一侧)的牙嵌式离合器与将旋转力传递至驱动轮的输出轴一侧的牙嵌式离合器相啮合。这样一来,1档齿轮与输出轴相连,就将发动机的旋转力传递到了驱动轮。

牙嵌式离合器的结构

图3.5 牙嵌式离合器的结构
※像犬牙一样相互啮合的传递装置。驾驶员拨动变速杆时,与所选齿轮的牙嵌式离合器啮合

每一套齿轮组合都有一个牙嵌式离合器。1档时其他齿轮组合的牙嵌式离合器都不啮合,因此均处于空转状态。

驾驶员前后左右拨动变速杆,使得牙嵌式离合器啮合或者分离。由于驾驶员是以H形拨动变速挡,所以我们通常把变速杆的拨动方式称为H型换挡模式

例如,从空档向左前方拨动变速杆就是1档,再向左后方拨动就是2档。接着向右前方就是3档,右下方就是4档。

将变速杆拨动至H形的各个位置时,就会带动连接在变速连杆前面的拨叉。随后选择与齿轮组合相对应的牙嵌式离合器,连接至与驱动轮相连的输出轴。

事先设置好齿轮的组合,通过牙嵌式离合器的啮合或分离进行齿轮切换,这样就无需每操作一次让齿轮啮合一次了。

可以想象一下,如果没有常啮合式的变速器会怎样?作为精密零件,齿轮上锯齿间的缝隙很小,因此即使在静止状态下,都很难将一个齿轮的锯齿啮合在另一个齿轮的两个锯齿之间。静止状态下都这么难,就更不用说在旋转时让齿轮啮合了。

即使在空转状态下,发动机的转速都可以达到每分钟500~600次。在汽车发动后加速的过程中切换齿轮时,发动机的转速甚至可以达到空转时的10倍,约为每分钟5000~6000次。

我之前讲过,切换齿轮时要先回到空档状态。空档时发动机的旋转力不会传递至变速器,但由于惯性,变速器的齿轮还会继续旋转。在转速高达每秒钟几百甚至几千的状态下,要让两个齿轮上锯齿间的缝隙实现啮合,与其说很难,不如说是不可能的。如果强制啮合齿轮,有可能会损坏齿轮上的锯齿。齿轮上的锯齿非常纤细精巧,如果损坏程度过大,汽车就无法行驶了。

因此常啮合式变速器应运而生了。它备有几组大小不同的齿轮组合,可以根据需要进行切换。当然了,即使是牙嵌式离合器,在高速旋转中进行啮合时也可能造成其锯齿的损坏。但牙嵌式离合器的啮合部分是单纯的凹凸形状,且所有的凹凸都是同时啮合,这就降低了锯齿损坏的风险,不会导致汽车无法行驶。

对于汽车来说,单单保证高性能是不够的,还要增强耐久性以确保几万公里的行驶,同时要致力于降低其维修保养费。

接下来我想讲解一下离合器的作用和同步啮合装置。这里所说的离合器,不是变速器内部的牙嵌式离合器,而是连接在发动机后端、利用飞轮和摩擦片的关系,负责切断或传递发动机旋转力的装置。就像我之前讲的一样,利用离合器回到空档状态时,发动机的旋转力就暂时无法传递到变速器了。驾驶员踩下离合器踏板使发动机暂时停止向变速器传递旋转力后,就要拨动切换齿轮的变速杆切换齿轮组合了。

通过离合器使变速器内的齿轮处于空转状态后,就可以利用牙嵌式离合器进行齿轮切换了。但是即使是在空转状态,也很难啮合旋转中的牙嵌式离合器。

因此同步啮合装置诞生了。同步啮合装置通过实现牙嵌式离合器的转速同步,使其能够更轻易地相互啮合(图3.6)。它拥有形似冰激凌蛋卷、有斜面的圆环形的同步器,负责平稳实现齿轮一侧和输出轴一侧牙嵌式离合器间的转速同步。通过圆锥形斜面的慢慢接触,实现相互间转速的同步。

同步啮合装置的结构

图3.6 同步啮合装置的结构
※通过实现牙嵌式离合器的转速同步,使其更轻易地相互啮合。如图所示,它有坡度,也就能平稳地实现同步。

同步是同步化(synchronize)的略语。就像在花样游泳中(synchronized swimming)几个人和着音乐游泳一样,同步啮合装置实现了齿轮切换时齿轮与输出轴转速的同步。利用倾斜的圆锥形锁环实现同步,使得牙嵌式离合器平稳啮合。

此时如果踩下离合器踏板,即处于空转状态。即使齿轮和输出轴在旋转,也无法传递动力,因此此时可以互相调整转速。这样看来,常啮合式结构、牙嵌式离合器和同步啮合装置都是服务于齿轮组合的。

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