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liuxin077的博客

春有百花秋有月,夏有凉风冬有雪。若无闲事在心头,便是人生好时节。

 
 
 

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汽车差速器、离合器的工作原理  

2014-04-13 15:27:54|  分类: 汽修原理 |  标签: |举报 |字号 订阅

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        本文将介绍汽车需要差速器的原因,以及差速器的作用和缺点。我们还将介绍几种防滑差速器,也称为限滑差速器。

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    为什么需要差速器?

    车轮旋转的速度是不同的,尤其是转弯时。在以下动画中可以看到转弯时每个车轮行驶不同的距离,并且内侧车轮比外侧车轮行驶的距离短。由于速度等于行驶的路程除以通过这段路程所花费的时间,因此行进路程较短的车轮行驶的速度就较低。同时请注意,前轮与后轮的行驶距离也不同。对于汽车上的非驱动轮(后轮驱动汽车的前轮或前轮驱动汽车的后轮),这并不是问题。因为在前轮和后轮之间没有连接,所以它们独立旋转。但是驱动轮被连接到一起,以便单个发动机和变速器可以同时使两个车轮转动。如果汽车没有差速器,车轮必须锁止在一起,以便以相同的速度旋转。这样汽车将不便于转弯——为了使汽车能够转弯,一个轮胎必须滑动。对于现代轮胎和混凝土路面,轮胎需要很大的动力才会滑动。此动力必须由轴从一个车轮传输到另一个车轮,这会在轴组件上形成很大的压力。


    差速器具有三种功能:

    使发动机动力指向车轮;

    相当于车辆上的最终传动减速器,在变速器撞击车轮之前最后一次降低其旋转速度;

    在以不同的速度旋转期间向车轮传输动力(这是将它称为差速器的原因)


    什么是差速器?

    差速器是将发动机扭矩按两个方向分开的设备,可允许每次输出的扭矩以不同的速度旋转。

    现在在所有汽车或卡车上都配备差速器,一些全轮驱动车辆上(全时四轮驱动)也配备差速器。这些全轮驱动车辆的每组驱动轮之间都需要一个差速器,并且在前轮和后轮之间也需要一个,因为在转弯时前轮行驶的距离与后轮不同。

     分时四轮驱动系统在前轮和后轮之间没有差速器,相反,他们被锁止在一起,以便前轮和后轮以相同的平均速度转弯。这就是当四轮驱动系统啮合时这些车辆在混凝土路面上很难转弯的原因。


    我们将介绍最简单的差速器——开式差速器。

    首先,我们需要了解一些术语:下面的图像标示的是开式差速器的组件。

    当车辆笔直向前行驶时,两个驱动轮以相同的速度旋转。输入小齿轮转动齿圈和保护架,同时保护架内的小齿轮均不旋转,这样两侧齿轮均被有效锁定到保护架。注意,输入小齿轮是小于齿圈的齿轮,它是汽车上的末级减速齿轮。您可能听说过一些术语,如后轴比或主减速器传动比。这些是差速器中的齿轮比。如果主减速器传动比是4.10,则齿圈的齿数是输入小齿轮齿数的4.10倍。 汽车转弯时,车轮必须以不同的速度旋转。在上图中,可以看到汽车开始转弯时保护架上的小齿轮开始旋转,车轮以不同的速度移动。 内侧齿轮比保护架旋转得慢,而外侧车轮比保护架旋转得快。

        

    汽车中离合器的位置 

    本文将介绍使用离合器的原因,使您了解离合器在汽车中的工作原理,并且讨论一下一些可以放置离合器的有趣的甚至可能令人意想不到的位置!

    离合器对于带有两个旋转轴的设备很有用。在这些设备中,一个轴通常由电机或皮带轮来驱动,而另一个轴用来驱动其他设备。例如在钻孔机中,一个轴由电机驱动,另一个轴驱动钻夹头。 离合器连接了两个轴,这样它们可以锁定在一起,以同样的速度旋转,或者分离,以不同的速度旋转。 


    基本离合器 

    您需要在汽车中安装离合器,因为发动机始终在旋转,而车轮则不会。要使车辆停止而不损坏发动机,车轮需要以某种方式与发动机断开。离合器通过控制发动机和变速器之间的滑程,使我们可以轻松地将旋转着的发动机连接到没有旋转的变速器上。

    要了解离合器的工作原理,知道一点有关摩擦的知识是很有帮助的。在下图中,您可以看到飞轮是连接在发动机上的,而离合器片是连接在变速器上的。 

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汽车离合器的展开视图 

    当脚离开踏板时,弹簧会向离合器盘方向推动压盘,从而挤压飞轮。这样可将发动机锁定到变速器输入轴上,使它们以相同的速度旋转。    

    离合器作用力的大小取决于离合器片和飞轮之间的摩擦力以及弹簧对压盘的压力的大小。离合器中摩擦力的工作方式与制动器的原理摩擦部分描述的缸体的工作方式一样,只不过它是将弹簧压在离合器片上,而不是依靠重力将物体压向地面。 

美国卡罗莱纳州野马供图 压盘 


    离合器如何接合和分离 

    踩下离合器踏板时,电缆或液压活塞将推动分离叉,从而向膜片弹簧的中间部位按压分离轴承。由于膜片弹簧的中间部位被推入,弹簧外侧附近的一组销将导致弹簧将压盘从离合器盘上拉开(参见下图)。 这可使离合器从旋转着的发动机上分离。

    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/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/分时变速器输出轴的转速:一挡2.315:11,295;二挡1.568:11,913;三挡1.195:12,510;四挡1.000:13,000;五挡0.915:13,278。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。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。



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