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一台变速箱毁所有?变速箱为什么要背这个锅?

都说变速箱是汽车动力的灵魂,发动机输出的马力,需要变速箱来打理,变速箱强悍,车辆自然锦上添花,假如变速箱不行,就会是“一台变速箱毁所有”。目前市面上又AT、DCT、CVT、MT等几种变速箱,根据不同的工作逻辑、工作方式有不同的特性。
 
一台变速箱毁所有?变速箱为什么要背这个锅?
讲变速箱之前,首先要了解什么是行星齿轮。行星齿轮是一种相当有意思的发明,它有非常好的变速特性,经常作为核心部件被用于汽车的自动变速箱。行星齿轮组有四个核心部件:太阳齿轮、行星齿轮、齿轮换和行星齿轮架。行星齿轮组可以改变力的方向、速度。
 
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当两个齿轮一起旋转的时候,结合面的速度是一致的,假如两个齿轮的结合面速度不同,那么两个齿轮就会出现打齿,只要将这个原理应用在行星齿轮组上,就会知道它是如何实现变速的了。
 
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  下面这部分就需要靠您的想象力了  
假如,齿轮环是静止的,太阳齿轮开始旋转,此时行星齿轮就会跟着太阳轮公转并自转,公转方向就跟太阳轮旋转的方向一致(自转方向与太阳轮相反),由于行星架跟行星齿轮是相连的,所以它也会随着行星齿轮一起旋转。
 
假如太阳轮是固定的,而齿轮环转动,同样行星齿轮会跟随齿轮环转动,公转方向跟齿轮环一样,自转则相反;但由于齿轮环与行星齿轮之间的齿比较大,所以会比上面情况旋转得更快,而行星架自然也旋转得更快。
 
只要保持行星架不动,就可以实现反转力的效果,这样一来,太阳轮的旋转方向跟齿轮环的旋转方向相反,但是速度不变。
 
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为了达成输出不同的速度,必须要在不同的组件上输入速度,事实上这在真实的机械结构上是很困难的。在自动变速箱上,为了变速要把三个行星齿轮组同轴序列安装在一起。
 
对于现在的汽车,AT变速箱是一个比较流行且可靠的选择,AT变速箱是基于行星齿轮组来工作的,行星齿轮组有两个输入端和一个输出端,在AT变速箱里,输出端的旋转是来自行星架,两个输入端分别是太阳轮和齿轮环。 
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首先让齿轮环固定,转速只输入给太阳轮,这时候行星架就会跟随运动起来,输出=1/3.1输入;假如让齿轮环也旋转起来,那么输出端的转速就会增加;假如太阳轮的转速和齿轮环的转速一样,那么整个行星齿轮组就作为一个整体在旋转,可以称之为直接驱动模式,输入=输出;继续让齿轮组加速,齿轮组速度大于太阳轮的速度后,行星架(输出端)的速度会进一步增加。
 
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所以,AT变速箱就是把不同速度加载到齿轮环和太阳轮上,AT变速箱的精妙就自安于可以简单用一些离合器结合分离来传输这种速度变化。在AT变速箱里面,输入轴和输出轴是没有直接相连的,而是在输入轴和输出轴之间有一个中间轴,另外用离合器来传输动力,离合器外齿连接这中间轴,内齿连接着输入轴,压紧离合器(C1)就会让动力从输入轴传输到中间轴上;此外,在行星齿轮组后端也有一组离合器组C5(外齿连接着变速箱壳体,内齿连接着齿轮环)这就是最简单的AT变速箱传输动力的原理。
 
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1挡时,如果离合器结合,输入轴和中间轴就连接起来;另一反面,如果C5也结合的话,齿轮环就会和变速箱壳体相连,也就使得齿轮环被固定住。为了实现1挡,只要同时让C1和C5结合,由于齿轮环是固定的,输出轴就会随着输入轴旋转,输出转速大约是输入转速的三分之一,输入转速和输出转速之比就是齿比,1挡的齿比为3.1;
 
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为了增加传动比,需要再增加一个行星齿轮组,同样太阳轮跟中间轴同轴相连,同样行星齿轮组外侧有一组离合器C4,如果让C4结合,就会让第二个行星齿轮组的行星架旋转起来。这里有一个重点,第二个行星齿轮组的行星架是跟第一个行星齿轮组的齿轮环硬连接的,于是当C1和C4结合时,一号行星齿轮组的齿轮环也就旋转起来了,因此,输出轴也是同时在旋转的,就跟刚刚1挡的情况类似,这就意味着输出轴的转速增加了,这就是变速箱的2挡。
 
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2号行星齿轮组和行星架同时还连接着一个中空轴,这个中空轴可以在一个离合器C2的帮助下直接与输入轴相连,离合器表面同样存在离合片,内齿连接着空心轴,外齿连接着输入轴的外套,这种情况下我们就能实现4挡(或者说直接驱动)也就是说输入轴的转速跟输出轴一致。我们知道:为了实现直接驱动齿轮环和太阳轮的转速需要和输入轴一致,如果我们接合C1和C2,那么齿轮环和太阳轮就直接连接到了输入轴上;为了实现6挡,只需要释放C1再接合C4,这样而号行星齿轮组的输入就给到了行星架上,齿轮环保持固定,在这种情况下太阳轮会获得非常高的转速,大约是输入轴的3倍。
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要实现剩下的挡位,需要再加入一套行星齿轮组,这套星星齿轮组的太阳轮和输入轴保持连接,和刚刚一样,这套行星齿轮组的输入和相邻2号齿轮组的齿轮环硬连接(齿轮环外有离合器C3),这就意味着让C3结合时会导致2号齿轮组的齿轮环旋转,剩下的3挡和5挡需要C3一直保持结合状态,也就意味着2号齿轮组的齿轮环是一直旋转的;要得到3挡,只需要再接合C1就好了。
 
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此外,AT变速箱(CVT或者某些DCT也会使用)还需要一个液力变矩器。液力变矩器第一个组件是叶轮(Impeller),叶轮内部是弯曲的叶片并且被油液填充,当叶轮旋转起来时,油液就会由于旋转产生的离心力被甩到外侧,叶轮的转速越快,离心力也越强。
 
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涡轮和叶轮对向安装在一起,事实上,可以把涡轮看成是调转180度的叶轮,从叶轮叶片流出的油液会流过涡轮的叶片,于是涡轮就会旋转起来,叶轮的转速比涡轮的转速高得多,因为中间发生了一些转换,例如扭矩变化以及能量损失。
 
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叶轮产生的离心力作用于油液,油液将能量传递给涡轮,涡轮的叶片可以让油液流回涡轮的中心再回到叶轮中心,油液就是这样往复循环,这个就叫做液力耦合,此时是没有扭矩转换的。
 
如果需要进行扭矩转换,就需要另一个特殊的装置——定子(Stator),它位于叶轮和涡轮之间,油液经过涡轮流向定子,定子上弯曲的叶片几乎可以让油液的流向偏转90度,结果就是扭矩被放大了,因为油液回流的速度变慢了。
 
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叶轮安装在液力变矩器的壳体上,而壳体又与发动机相连,于是叶轮就接受了发动机的机械能,通常液力变矩器还会有一个锁止离合器(Lock-up Clutch),下文会讲到;涡轮的输出轴连接着涡轮和变速箱,最终输出到车轮。
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第一种状态:停止。这时候发动机吧动力传输给叶轮,但是涡轮保持不动,因为驾驶员踩着刹车(例如等红灯),所以车辆保持不动。
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第二种状态:加速。例如在红灯变绿后,刹车被松开,驾驶员踩下油门,于是叶轮旋转速度加快,但叶轮和涡轮之间存在一个明显的转速差,这种工况下,液力变矩器就会产生扭矩放大作用,对于加速这种状态有一定的帮助。
 
第三种状态:耦合。车辆高速运动,涡轮的转速几乎等于90%的叶轮转速,扭矩放大停止,液力变矩器只是简单的液力耦合状态,一般情况下,如今的车辆在这这种状态下都会使用一个锁止离合器来锁止叶轮和涡轮,这就减少了由液力驱动产生的能量损失。
 
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变速箱是挡位数越来越多,很多人将变速箱的挡位数量作为衡量车辆好坏的标准,事实是否如此?
 
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教授以海外版雷克萨斯LC500上的10速变速箱为例从加速性、经济性和齿比范围三个方面来讲解,为什么使用一个10速变速箱是合理的。
 
  加速性能  
在车辆刚开始起步的时候,车辆可以有很大的加速度,因为此时车辆是速度较慢,挡位较低,扭矩较大,1挡大概能让你加速到40~60公里每小时,之后就必须升挡来降低齿比以达到更高的速度。想要让车辆获得理想加速能力,就需要让发动机一直保持在最大功率点。假设现在的速度是72km/h,再假设某个齿比能让发动机保持在7100rpm,也就是LC500发动机最大功率点,如果我们有那个齿比的话,那我们在这个速度上就能拥有最大加速能力。
 
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这也说明了为什么CVT是理想的变速箱,因为它可以让发动机保持在任意转速并根据需要不断调整齿比,所以一个CVT可以让发动机一直保持在7100rpm,然后从高齿比一直变化到低齿比来连续加速,让加速一直保持在理想的加速能力,但是人们并不想花100万去购买一辆CVT变速箱的性能车,性能车的驾驶员还需要享受换挡的过程,享受由于换挡导致的声量的变化,驾驶感受等,所以CVT在性能车上行不通,也正是如此,所以需要更多挡位的变速箱。
 
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但是挡位的牺牲性能的,每一次换挡都意味着加速能力的降低,因为齿比降低了;接下来就换到了2挡,但是在1挡和2挡之间的区域是损失掉了加速能力的,所以通过增加挡位,例如10个挡位,就可以尽量缩短由于换挡而导致损失加速能力,就可以尽量接近理想加速曲线,并且同样可以享受驾驶乐趣。
 
当然,增加挡位也是有不足的地方,因为换挡是需要时间的,不过教授认为这并不是什么大问题,首先因为换挡是一个有驾驶乐趣的事,第二这意味着会有更大的加速度,推动你的G值更大,也就更有驾驶乐趣,虽然最终加速成绩可能比较慢,但是你的推背感会更强。
 
  效率  
我们可以从发动机万有特性图(Brake specific fuel consumption,简称BSFC)是指输出特定功率的动力时需要消耗多少油,纵坐标是发动机的负载,也就是节气门的开度,横坐标是发动机的转速,中间的不同颜色代表了耗油量,也就是效率,蓝的最高效,以此类推,颜色越浅,效率越低。
 
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所以想要保持在较低转速但是比较高负载的时候,发动机会表现出最高的效率,离开此其余后,例如高转速低负载情况下,效率最差;所以发动机高效区间是低转速高负载。假设车辆目前处于3挡,当前转速比较高,但是负载较低;但假如现在是5挡,负载较高,但是转速会下降,这样两者输出的功率其实是一样的,但是使用5挡时的油耗比较低。
 
也就是说,如果有更多的挡位,那么就会有更高的概率让发动机工作在高效区间,这也是为什么目前越来越多车使用CVT变速箱的原因,因为它能让发动机长时间保持在高效运转区间,如果不想用CVT,那么只能使用更多的挡位来尽量使发动机工作在最佳燃效区间。
 
  齿比范围  
当变速箱选择某个挡位是,它实际上是加速性、燃油经济性和最高速度综合考虑后的结果。例如当前的挡位比较高,此时能够拥有更高的极速,这时候的转速会相对比较低,也就是更省油,但是牺牲了加速性能。具有大齿比的低挡位可以让你加速更快,例如雷克萨斯RCF,其使用一台8AT变速箱,虽然发动机跟LC500是一样的5.0L V8,但是LC500是10AT,所以LC500的一挡齿比要比RCF更加激进,LC500的9、10挡的齿比要比RCF的8挡更低,LC500的齿比范围要更加广泛,这就使得它有更多的选择来决定此时是需要加速还是要极速还是要节能。
 
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为什么不用少挡位大齿比?因为这两个挡的齿比相差比较大时,两个挡位之间的空档就会很大,就会牺牲加速性,也牺牲了燃油经济性,这跟以前的4AT升级到6AT时是一样的道理,遇上了无挡可选的尴尬。所以更多的挡位无论是贴近最佳加速曲线能力上还是保持发动机在最佳燃效区间的能力都是比少挡位变速箱更强。
 
多挡位变速箱会遇到一个问题:选挡,车辆在相同状态下,是需要加速还是需要节能,这就考验了车辆对驾驶员意图的理解,假设理解不够透彻,就会出现选挡困难的情况,造成顿挫。
 
一台变速箱毁所有?变速箱为什么要背这个锅?
以上就是教授对于变速箱的科普,假如你对AT变速箱如何换挡还不够清楚,欢迎在下方留言。可以说,目前CVT是最佳的变速箱选择,但是由于人们对于车辆不仅仅是“能动”特别是性能车,更重要的是车辆给人们带来的视觉、听觉以及体感上的刺激,相比起单纯的加速能力,驾驶感受、驾驶乐趣更重要。
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