《凤凰解密》汽车变速器之原理（一）

凤凰解密 变速器又被称为变速箱，它的作用就是转换力矩。在普通的汽车发动机中，曲轴的额定转速最高可达8000rpm甚至更高，如果直接将曲轴力矩传递给车轮，难免会发生轮速过高、扭矩过小的冲突，使得发动机的负担增大，难以克服摩擦力驱动汽车。骑过自行车的人都知道，普通的无变速器自行车骑行速度通常很慢，而且遇到上坡就尤其费劲；换作一台可前后变速的山地自行车就轻松多了，其实这个道理跟汽车变速器一样。变速器就是一种聪明的机械闭锁机构，它可以按照不同的齿轮比例来降低输出转速，增大扭转力矩，而力矩又通过齿轮与齿轮的传递让汽车跑得更快，同时使发动机更省力，这就是变速器存在的意义。齿轮的秘密变速器的构成其实看上去很简单，无非就是一堆齿轮和一组拨叉，这几乎也是所有手动变速器的构成部件。但是齿轮看起来小巧而简单，实际上也有大学问。一般来说，变速器里的齿轮可分为直齿轮和斜齿轮两种。由于斜齿轮具有一定的角度，更容易分级挂挡，并且切换挡位时比直齿轮更为平顺安静，所以在汽车上基本都采用斜齿轮式变速箱。此外，斜齿轮还具有另外一个优点，那就是利于改变啮合齿轮的运动方向，因为它的齿轮角度为45°，那么当两个同样结构的斜齿轮啮合时，便可以很轻松的垂直咬合在一起。弄清楚了齿轮问题，我们继续深入在汽车的变速器中，各级齿轮间的齿比由齿轮的齿数决定。例如相互啮合的两个齿轮齿数分别为20个和10个，那么前者输入端转一圈就会带动后者输出端转两圈，变速比即为2:1。实际上这也就达到了通常意义上所说的加挡的目的了——大齿轮带动小齿轮，就是一组高速挡位。同理，减挡时就是将力传递端给齿数相对较多的齿轮，假设输入端齿轮仍为20个，而输出端变为15个，这么一来，齿比则变为了1.33:1，力矩增大，爬上坡会更有劲。如果把几组不同规格(齿数)的齿轮组合在一起，便可以构建一个变速机构来快速地升降挡了。这样一来，假设一套齿轮机构输入端齿轮为20齿，二级齿轮为40齿，输出端齿轮为50齿，第一级变速比为1:2，第二级为4:5，最终的变速比为两级变速比之积，即2:5。以此类推，再多增加几组齿轮，再弄清楚它们的齿数前提下，便能很轻松算出速比，知道变速器的能力范围了。变速的基本原理值得注意的是，在汽车的变速器中不仅有常规的变速齿轮，几乎所有车辆都还有一套差速齿轮(差速器)，它把守着汽车动力传递到车轮这一最后关口，一般位于前桥或者后桥的中部位置，它的作用是产生终传比。差速器齿轮由一个输入端小齿轮和一个大齿圈构成，我们以一台斯巴鲁翼豹的5速手动变速箱为例，假设它的终传比为4.444:1，这也就是变速器输出轴到车轮驱动半轴的最终变速比。我们可以看到，当发动机转速在3000rpm时，变速箱处于5挡，那么变速箱输出轴的转速就为4065rpm，通过终传比为4.444:1的差速器，最后传到驱动半轴的转速则为914rpm。不夸张地说，如果知道车轮尺寸，利用上面的比例关系公式，甚至可以计算出这款翼豹在发动机某一转速下的最高车速。又例如，已知翼豹的车轮尺寸为205/55R16，整个车轮的半径r为258mm，那么车轮的周长就为2r乘以圆周率3.14，即1620.24mm。目前，已知推算出的变速箱5挡时输出转速为4065rpm，那么每分钟行驶距离就用1620.24mm乘以4065rpm，即为6586275.6mm，换算成米即为6586.2756m，然后除以每小时60分钟，最后得出4065rpm转速下的车速为109.7km/h，也可以说是110km/h。当然，我们只是理论计算，实际上翼豹在110km/h的车速下，发动机转速大大低于4000rpm。在普通变速箱的内部构造中，我们能看到不同规格的斜齿轮啮合在一起。与前端离合器相连接的轴被称为动力输出轴(发动机输出轴)，而在离合器之前则是直接与发动机飞轮相连。一般紧挨着输出轴的一侧，就是变速箱的输出轴(传递至差速器)，在这根轴上包括5个斜齿轮和前、中、后3套变速拨叉，一般的手动变速器很容易识别，那么它又是如何工作的呢？简单说，就是当离合器与飞轮结合在一起时，动力输出轴开始转动，固定在动力输出轴上的斜齿轮也随之转动，它们与变速器输出轴上一系列可以绕其空转的斜齿轮啮合。此外，变速器的换挡拨叉可以带动一系列具有内花键的接合套滑动，接合套通过花键与输出轴上的齿轮相连，这样一来就可以拨动齿轮达到切换挡位的目的。我们所讲的原理，是通过理解之后的简化产物，真正的变速器在换挡时其复杂程度并非如此。斯巴鲁翼豹5速手动变速器速比示意图档位速比发动机3000rpm时各级齿轮的转速13.166:194721.882:1159431.296:1231440.972:1308650.738:14065制表：凤凰汽车