朗逸轿车前麦弗逊悬架设计(含5张CAD图纸)
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3 传动系统3.1变速箱和齿轮比3.1.1变速箱的原因现代车辆中使用的内燃机将在有限的有效转速范围内运行,例如15007000 rpm,从而产生相对较低的扭矩(转向力)。 如果速度降至下限以下,或者负载过大,则发动机将熄火,车辆将进入静止状态。 如果车辆没有变速箱,则以下缺点很快就会变得明显。启动时加速不足离合器必须打滑相当长的时间才能避免发动机熄火。 之前必须达到约24 kph(15 mph)的道路速度图3.1变速箱关闭可能会发生完全啮合,在此期间,车轮的驱动力(拉力)只会略大于与车辆运动相反的力(拉力)。 加速度取决于牵引力和阻力之间的差异。 如果该差很小,则加速度将较差。牵引力:向前移动物体或车辆所需的力。牵引阻力:牵引力必须克服以产生运动的反向力。爬坡能力差坡度会增加阻力,这意味着一旦爬上山坡,发动机就会减速并最终失速。 这可以通过采用具有高扭矩输出的大型发动机来克服,但这将是不经济的。车辆不能低速行驶随着车速降低,发动机转速也将降低。 如果车辆必须以低速行驶,则需要打滑离合器以避免失速。无中性或反向不可能在不熄火的情况下保持车辆静止,因此在车辆不行驶时始终必须分离离合器。 这也使车辆难以操纵。3.1.2齿轮杠杆图3.2显示了一种简单的方法,可以通过操纵杆来帮助人向前推动车辆。 当人没有杠杆而施加努力时,就没有足够的力来向前运动。 当使用操纵杆并使之在保险杠上枢转时,由于在操纵杆的整个长度上施加了重复的力,因此人可以产生向前运动。 实际上,杠杆的长度提供了来自人相同量力而施加的力的倍增。图3.2强调了安装变速箱的重要性。其他机械设备也可以产生类似的结果,尽管不一定要使用杠杆。 诸如齿轮之类的组件可以提供来自给定输入的力的倍增。 图3.3a显示了使用重物和滑轮的杠杆的另一种简单形式。 利用砝码m和皮带轮施加到杠杆末端的力可以举起四倍的砝码(砝码M)。 这个简单的实验表明,使用杠杆系统可以放大较小的输入力。图3.3b显示了如何使用两个圆盘来获得杠杆。 在此示例中,作用在轴C上的质量将在轴D上支撑更大的质量。此布置可以视为简单的变速箱,发动机连接到C轴,车轮连接到D轴。在此示例中,输出扭矩 是发动机扭矩的两倍,如果将圆盘B制成A直径的三倍,则输出扭矩为高音三倍。 这似乎无所不能,但是必须考虑速度。 可以看出,随着转矩的增加,速度成比例地减小,因此,假设该机构的效率为100,则功率保持不变。在图3.3b中,速度比(运动比)也称为齿轮比,在这种情况下为2:1,这表示输入轴需要旋转两圈才能使输出轴旋转一圈。在汽车的早期设计中使用了皮带,皮带轮和摩擦驱动器,但由于采用了滑动齿轮装置,这些系统逐渐消失了。3.1.3齿轮比的确定要获得较高的最高车速,并在整个速度范围内实现良好的加速度和经济性,就需要一种齿轮传动系统,使发动机能够以使其发挥最佳性能的速度运转。 最大的发动机功率,扭矩和经济性都出现在不同的发动机转速下,因此这使得匹配传动比的任务变得困难,尤其是在必须考虑可变的工况和驾驶员需求的情况下。设置多个传动比时要考虑发动机的要求,以使其适应给定的工作条件(表3.1)。表3.1操作条件需求最高车速最大引擎功率最大加速度最大发动机扭矩最大牵引力最大发动机扭矩最大经济发动机处于中速和轻载状态,节气门开度较小如今,适合于轻型车辆的发动机类型通常需要能够提供五个前进速度和一个倒档的变速箱(即,除了倒档之外,还有五个不同的前进档速比)。 这样可以提供合理的性能,以适应包括经济在内的大多数驾驶条件。但是,有些车辆装有六速,七速甚至八速变速箱。 应该注意的是,高齿轮是具有低数值的传动比的齿轮(即,传动比为1:1,高于传动比为2:1)。档位越低,发动机和车轮之间的减速力就越大; 这意味着,对于给定的发动机转速,车轮转速较低。最高车速当车辆设置在最高档位并且油门保持完全打开时,可以达到最高车速。为了使大多数情况下使用的齿轮的摩擦损失最小,“顶级齿轮”的传动比应选择为1:1(直接驱动)。 因此,“最高档”的设置实际上是根据轮毂直径和发动机特性选择最终传动比的选择。图3.4显示了确保车辆能够达到较高的最大速度所必须考虑的因素。 它显示了所需功率和可用功率之间的平衡。 前者的数据由发动机的制动功率曲线给出。 对于后者,通过计算车辆在水平道路上行驶时克服其牵引阻力所需的功率来获得数据。牵引阻力(有时称为总阻力)包括:1空气阻力由于车辆在空中移动2滚动阻力由于轮胎和路面之间的摩擦。 很大程度上受路面类型的影响3坡度阻力随着坡度(坡度)对车辆运动的影响而增加。图3.4a表明,推动给定车辆所需的功率随速度的立方而增加。 这意味着,如果速度加倍,则所需功率将是原来的八倍。 在此示例中,需要150 kW的功率才能以200 kph的速度驱动车辆。适配于该车辆的发动机的动力输出如图3.4b所示。 该功率曲线表明,发动机在5000 rpm时产生150 kW的峰值制动功率。如果最大道路速度要尽可能高,则必须设置该车辆的齿轮比,以使“可用功率”曲线的峰值出现在道路速度为200 kph时。 在这种情况下,发动机转速为5000 rpm,以200 kph的速度驱动车辆。总齿轮比(齿轮箱比最终传动比)一旦确定了两条曲线的相对位置,就可以检查加速度的总体性能。 两条曲线之间的垂直差是可用于加速的剩余功率,因此可以将其绘制为单独的曲线以显示达到最大加速的速度。假设摩擦被忽略,则必须认识到,齿轮系统既不增加也不减少动力(即,从传动系统输出的动力类似于发动机制动动力,而与传动比无关)。因此,图3.5中的曲线所示的车辆的齿轮比的变化将导致峰值P从其在图3.4c中占据的位置水平移动。 降低比率(曲线A)将“可用功率”曲线向左移动,提高比率(曲线C)将其向右移动。 这两个条件分别称为齿轮不足和齿轮过度。在这两种情况下,最大可能速度都会降低,但这不是主要考虑因素。 表3.2列出了两种齿轮传动条件的优点。表3.2条件优点不足更大的加速动力,因此车辆响应更快灵活的顶级档位性能,因此当车辆遇到较高的牵引阻力时,只需进行较少的换档过度在给定的行驶速度下降低发动机转速,因此:更好的经济性更低的发动机噪音水平发动机磨损少不足档位的优点可用于克服过度档位的缺点,反之亦然。 对这两种情况的比较表明,档位不足更适合普通汽车,因此档位不足通常为10至20。 这意味着,在达到最大可能车速之前,发动机功率峰值出现在10至20之间,尽管有更多的可用档位可以更好地匹配齿轮。最大牵引力一旦设计人员设定了总的最高齿轮比,便可以确定最低齿轮比(第一齿轮)。 该齿轮在下车时使用,在需要最大牵引力时也需要使用,以使车辆能够爬上非常陡峭的山坡。牵引力是基于发动机扭矩的,因此,当发动机发展其最大扭矩时,特定齿轮会出现最大牵引力。 在图3.6a中,最高档位的性能(以前以功率差异表示)显示为力的平衡。 可以看出,驱动力曲线的形状与发动机转矩曲线相似。 牵引力曲线的峰值出现在由整体齿轮传动比和车轮有效直径控制的道路速度上。 力和阻力曲线之间的差异代表可用于加速的力。图3.6b显示了降低传动比对牵引力曲线的影响。 在这种情况下,底部齿轮箱的传动比为4:1,足以充分满足牵引爬坡需求的牵引力。离合器的逐渐接合动作必须用于提供足够的牵引力,以使车辆在由曲线表示的陡坡上行驶。 一旦离合器完全接合,并且发动机在最大扭矩范围内运行,则可能会产生较小的加速度-这是假定发动机转速不会降低得太低。通过将所需的最大努力除以顶部齿轮中可用的最大努力来计算最低齿轮箱速比。中间齿轮设置了最高和最低变速箱速比之后,然后插入中间速比,以使它们形成几何级数(GP)。 这意味着所有单独的比率都按公共比率前进。 例如,假设最高和最低总传动比分别为4:1和16:1,那么三速和四速变速箱的传动比组为:三速变速箱:4、8和16(普通速比2)四速变速箱:4、6.35、10和16(普通比1.59)为了获得最佳的速度和加速性能,发动机应在最大扭矩和最大功率的限制之间的速度范围内运行。 该工作范围越宽,弥合顶部和底部之间的间隙所需的比率数量越少。 大多数现代汽车发动机的范围都很窄,因此与这些发动机配合使用的变速箱通常至少具有五速箱,在某些情况下甚至是六速或七速。在装有六个齿轮的变速箱中,通常第五个齿轮比为1:1,第六个为超速档,因为它的齿轮比可以提高速度。 结果,它驱动输出轴的速度比发动机快。3.2不同类型的齿轮和变速箱3.2.1齿轮类型机动车上使用了各种类型的齿轮,但是齿轮箱采用以下一种或多种:1正齿轮平行于轴线的齿,用于滑动啮合齿轮箱。 主要用于倒档系统。2斜齿轮倾斜于轴线以形成螺旋的齿。 增强强度,使操作更安静。3双斜齿轮两组相对的斜齿。4圆柱齿轮或行星齿轮正齿轮或斜齿轮围绕非固定中心旋转。类型2和3用于恒啮合和同步啮合齿轮箱。 大多数自动变速箱使用行星齿轮传动。齿轮材质齿轮齿必须承受剧烈的冲击载荷和磨损,因此使用表面硬化钢来提供坚硬的芯和坚硬的表面。3.2.2手动变速箱现在的变速箱可分为两个主要类别:手动和自动。 手动变速箱要求驾驶员完全控制变速箱。 通常,驾驶员会使用手动控制杆来选择最合适的齿轮比,以适应驾驶条件。 通过使用自动选择手动变速箱,这已经得到进一步发展。 这种变速箱可作为手动变速箱使用,但具有电子或液压变速装置。 这可以加快换档速度,还可以使驾驶员进行自动换档。 这些在第346页上有更详细的说明。除了倒档之外,现代变速箱中提供的“速度”(齿轮比)数在某些情况下为四,五,六甚至七。 过去,出于成本原因,通常使用三速变速箱。 手动变速箱的主要类型有:滑动啮合恒啮合同步啮合。现在,同步啮合是最常用的类型。 这种类型的布局是从其他两种布局发展而来的,正是由于这个原因,现在已经过时的滑动啮合用于初始研究。3.2.3自动术语“自动变速箱”是指一种变速箱类型,能够在整个车辆运行状况下无需驾驶员的帮助即可换档。 一旦驾驶员做出初步选择以确定车辆的行驶方向(图3.8)和要使用的档位,其他决定就由变速箱控制模块或变速箱内的“大脑”做出。在美国,变速箱称为变速箱。这就解释了为什么自动变速箱有时被称为自动变速箱的原因。如今,许多自动变速箱都使用行星齿轮系统。通过借助于摩擦离合器或制动器保持或驱动齿轮系的一个或多个部分来获得所需的齿轮。制动器和离合器由液压系统控制;它要么集成了自己的传感系统,要么使用电子设备监控发动机和车辆的运行状况。除了四速周转齿轮箱外,大多数自动系统还需要在发动机和齿轮箱之间安装液力离合器装置(称为变矩器)。这代替了普通的摩擦离合器和两个功能:当发动机转速低于约1000 rpm时,它自动将发动机与变速器分离。并且还提供了无限可变的扭矩和速度比,以弥合齿轮箱周转比之间的阶跃。在英国,变矩器和自动变速箱的组合构成了自动变速器系统。3.2.4无级变速器普通发动机的功率输出随发动机转速而变化。 在低速下,输出功率非常低,因此,如果需要良好的车辆性能,则发动机必须旋转得更快。 它需要以最大功率运行。当考虑扭矩输出和燃油经济性时,将重复这个故事。 最大扭矩的产生速度与最大经济性的产生速度不同,并且这两个速度均与最大功率的点不一致。对于传统的变速箱,要达到这三个性能因素中任何一个的恒定发动机转速要求是不可能的。 这是因为必须不断改变发动机转速以适应车速。 结果,发动机仅在适合于最大发动机扭矩,功率或经济性的车速下发挥最佳性能。具有无限可变比率的齿轮系统将提供如图3.9所示的性能这被称为理想牵引力曲线。 在这种情况下,发动机将保持其提供最大功率的速度,并且通过改变传动比来改变道路速度。可以从根据图3.10所示系统原理运行的任何系统中获得理想曲线的近似值。 这种特殊的布置不是很实用,但是布局显示了这种齿轮传动方法背后的基本思想。由于无级变速的好处,无级变速箱(CVT)现在变得越来越流行,从而提高了经济性并降低了排放。 一些车辆例如混合动力汽车,为此使用CVT布置,这进一步改善了在使用电动机和汽油发动机配置时提供的经济性。 DAF是首批采用CVT的量产汽车。 该车辆具有皮带轮和皮带轮的布局,称为变速CVT系统(图3.11)。 这是由荷兰制造商开创的,并作为他们在1950年代后期生产的小型汽车的标准配置。3.2.5分步传动传统齿轮箱曲线与理想曲线的比较如图3.12所示。 该图说明了为什么使用术语“步进传动”来描述提供这种步进输出的任何系统。最初只有三个前进档的变速箱需要发动机在很宽的转速范围内运行; 这意味着在许多道路速度下的牵引力远远低于理想水平。 传动比的数量增加了相当大的改进,尽管许多乘用车的齿轮传动比要比重型汽车少,但它却在许多重型车辆以及现代乘用车中得到了使用。 当比率的数量增加到大约10时,为缩小比率之间的差距所需的狭窄发动机范围与实际牵引曲线接近理想值的近似组合使发动机可以在其周围运行 最佳速度。通过使用带有变矩器的自动变速箱可以达到理想的牵引力曲线。 尽管变矩器在低发动机转速下效率非常低下,但变矩器在大约2:1到1:1的极限之间无限变化的比率的影响会在主自动变速箱的步进比之间实现平稳过渡和正向驱动( 图3.13)。3.2.6其他类型的变速箱和变速器如今,许多适合于车辆的变速箱都采用了手动和自动变速箱系统的示例,并将它们链接在一起,以提供能够像手动变速箱一样运行的变速箱,但是变速箱是通过使用电动马达或液压辅助装置的自动机构进行变速的。 通过使用这种自动换档设置,驾驶员可以在完全手动变速箱模式下驾驶车辆之间进行选择,换档可以通过使用拨片或使用操纵杆前进或后退以向上和向后移动来进行。 降低速比,或在自动模式下由变速箱电子控制单元(ECU)决定何时换档。 在这两种情况下,系统都是电子控制的,通常可以非常快速地进行齿轮更换,从而提高性能和经济性。 这些新的变速箱在346页上有更详细的介绍。3.3驱动器配置3.3.1驱动布局车辆的一般驾驶配置通常取决于其预期的功能和目的。 发动机产生动力使车辆沿着路面移动。 该动力通过变速箱和变速箱总成传输。 尽管今天的道路上仍有少量三轮车,但大多数轻型车都有四个轮。 因此,驱动器配置布局为两轮或四轮驱动。四轮驱动的产品阵容为客户提供了选择。 四轮驱动通常只在越野车上看到,但是现在它可以在各种普通公路车上使用,从家庭轿车,掀背车到房地产和跑车。 四轮驱动系统会因所有四个车轮推动车辆而产生的牵引力增加而产生收益,特别是在摩擦较小的情况下。三轮车辆通常通过后桥中的最终驱动器将来自发动机的动力传递至后轮。 但是,有一些较小的带发动机的三轮车辆,它们将发动机置于前转向轮上方,并将驱动力直接传递给该转向轮。 一些生产更高功率的三轮车辆的独立制造商采用了驱动装置,其中后轮为单轮,前轮为两个。 后轮通常由强大的摩托车发动机通过链条或螺旋桨轴驱动。制造商对驱动装置的选择通常取决于车辆的市场和目的。 从前轮驱动到四轮驱动的每种类型的驱动装置都有优点和缺点,车辆设计者在生产新型车辆时会考虑到这些优点和缺点。3.3.2后轮驱动传统上,汽车采用后轮驱动布局(图3.14)。 在这里,后轮充当驱动轮,前轮旋转以允许汽车转向。 以这种方式定位主要的车辆驱动部件和发动机单元为技术人员提供了更好的可达性,但同时通过安装传动隧道将螺旋桨轴沿乘客舱的长度方向定位,也影响了乘客空间。 后轮驱动在干燥和牢固的抓地力条件下提供良好的牵引力。 但是,在松散的表面上以及在潮湿条件下的加速下,后轮驱动车辆容易弯曲并失去抓地力,从而导致汽车后部向侧面移动,如果要保持直线行驶,则需要对前(转向)轮进行连续校正。 保持。3.3.3前轮驱动布置更紧凑的好处使前轮驱动布局成为制造商的热门选择(图3.15)。小型车的需求增长与经济型车的需求增长一样快。这促使制造商生产更紧凑的设计,通常采用前轮驱动。将所有主要部件容纳在发动机罩下,为乘员提供了更多的车辆空间,并消除了对传输隧道的需要。现在,驱动桥以变速驱动桥的方式组合在一起,这允许发动机和变速箱的输出轴沿相同方向移动,并使用较短的驱动轴连接至车轮。驱动轴装有一个内部和外部接头,称为等速万向节(CV接头),可确保在旋转时获得均匀的速度,即使在大角度传动时也可减少振动。前轮驱动的一个缺点是在大加速度和爬坡条件下缺乏抓地力,因为车辆的重量向后移动,从而使前轮失去重量。如果不使用动力转向,转向也很沉重。但是,操作性得到了改善,尤其是在潮湿条件下。
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