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25章
为什么变速箱需要？
通过油门踏板控制功率输出，可以简单地调节发动机工作的速率：在非常高的速度下，功率输出相应较高，但正如第1章所述，转矩输出可以 同时显着低于速度相当低的速度。 换句话说，最大扭矩可能仅在非常有限的速度范围内可用。 因此，需要能够相对于车辆在任何给定时间可能需要运行的速度范围来调节发动机的功率输出和速度范围。 只有这样，车轮上的扭矩才能与稳定的上坡或下坡，水平或加速或减速的需求相平衡。 因此，变速箱是必要的，因此驾驶员可以通过选择适当的速度范围或者换句话说可以获得最大扭矩的车辆速度来调节扭矩。
当车辆以均匀的速度运动时，车轮上的驱动力或牵引力必须精确地平衡倾向于与运动相反的三类变力的总和。 如果它更大，汽车会加速，如果它更小，它会减速直到获得平衡。 这种平衡最终会建立起来，因为其中两种力量是随着速度而变化的。 这三种力量是：（1）空气动力学或空气阻力; （2）坡度阻力，可以是正值或负值; 和（3）滚动阻力。
25.1 空气阻力
空气可以阻止物体通过，如同水或任何其他流体一样。 这个阻力的大小直接取决于身体暴露于流体通过的形状和前部面积，以及其速度的平方。 这些现象的一些实际指示可以通过首先沿平面推进小平板然后在水箱中以各种速度正面推进来获得。 对于较大面积的版材，空气中可以感受到类似的效果。 图25.1显示了空气阻力与车辆速度的关系曲线，从中可以看出速度加倍使空气阻力增加了四倍。
一个实际的含义是, 对于慢车, 如农用拖拉机的空气阻力是如此之小, 它可以忽略, 而对于高速车辆, 如赛车, 它是至关重要的。对于家庭轿车, 它
图25.1 图25.2
开始变得重要在大约45米/秒 (72 km/h)。另一方面, 大多数重型商用车的经营经济, 由于其身体的长方形形式, 因此几乎是平板式的空气, 可以显著地影响到增加的速度, 特别是如果他们是被风所驱使。
25.2坡度阻力
图25.2显示了代表一辆车站在梯度上的汽车。 垂直向下作用的汽车重量可分解为两部分：平行于斜坡的H和垂直于斜坡的K。 为防止汽车向下滚动，车轮在与路面接触时必须施加与H相等且相反的力。 它必须在斜坡上行驶，不仅需要施加力，还需要施加额外的力，以抵消空气动力学和滚动阻力以及力H.因此，坡度阻力H仅取决于坡度陡峭，并且不受车速影响，只要坡度恒定，不论是在坡度上还是坡度上。 然而，应该注意的是，在加速过程中，另一个实际上通过汽车重心作用的力被引入。
25.3 滚动阻力
所有其余的力量以恒定的速度抵抗运动都在滚动阻力的前面。 在某些情况下，它们不仅包括轮胎的阻力，还包括传动系统中摩擦的影响。 然而，一般而言，后者根据哪个档位被接合而不同，为了计算目的，通常从该档位中的发动机可获得的转矩中扣除它们。
滚动阻力可归因于轮胎在路面上的持续冲击导致的能量消耗以及轮胎的实际变形，尤其是在软质路面上的道路变形。 应该指出的是，在柔软的表面上，车轮实际上是不断向斜坡行驶，以将车辆从车轮沉没的车辙中抬出。
由此可见，轮胎或轨道越软，并且偏转的橡胶体积越大，滚动阻力越大，但速度确实具有小的影响。 另一方面，耐冲击性受车辆速度和悬架特性的双重影响。 但是，由于抗冲击能力占整体的比例很小，所以通常情况下，除非要求极高的精度，否则在良好的道路上将滚动阻力与负荷成正比。。
25.4 总阻力
对车辆运动的总阻力是上述三个阻力的总和，并且因此由与车辆速度无关的两个部分组成 - 滚动阻力和梯度阻力 - 以及取决于速度 - 空气阻力。
因此，通过将图25.1的曲线垂直向上移动滚动和梯度阻力的大小，就可以得到总阻力与速度的曲线，如图25.3所示。
因此，当速度为OS km / h时，总电阻SP由滚动阻力SR，梯度阻力RQ和空气阻力QP组成。如果梯度阻力或滚动阻力增加或减少，则曲线将简单地增加或减少增加或减少的量。
在图25.4中，曲线A，B和C是图25.1中向上移动不同量的曲线，因此它们表示给定车辆在不同表面或不同梯度的道路上的总阻力曲线。考虑到路面保持不变，曲线A可以表示水平上的总阻力，曲线B表示在30中说1的梯度上的总阻力，等等。
25.5 牵引力
处理了对车辆运动的阻力后，让我们转向牵引力（TE）。其来源是发动机，它以扭矩T转动离合器轴。该扭矩传递到变速箱。现在通过应用能量守恒原理，我们会发现，如果忽略摩擦损失，并且如果没有能量存储，则整体
图25.3 图25.4
在发动机端输入齿轮箱的能量必须在螺旋桨轴端给出。由于在单位时间内完成的工作（当考虑旋转时）通过转矩和速度的乘积来测量，因此发动机转矩和离合器轴的转速的乘积必须等于作用于螺旋桨轴转矩和螺旋桨轴的转速的乘积。因此，如果螺旋桨轴转速是发动机转速的1 / n，则作用在螺旋桨轴上的转矩必须是发动机转矩的n倍。那么，我们已经知道，螺旋桨轴转矩= ntimes;T，n是发动机和传动轴转速之间的变速箱传动比，T是发动机转矩。.
传动轴驱动行车轮通过主减速器发生的最终传动。 如果车轮速度是螺旋桨轴转速的1 / n，则作用在车轮上的转矩（两个车轮被视为单个车轮）将是螺旋桨轴转矩的m倍，同样忽略了摩擦损失和能量存储。 因此，作用在车轮上的扭矩
t = ntimes;mtimes;T
其中n是传动比，m是主传动比，T是发动机扭矩。
图25.5显示了这种扭矩产生推动汽车沿着道路的驱动力的方式。 如果所显示的车轮被认为处于平衡状态，那么作用于其上的力必须处于平衡状态，并且两轮也必须处于平衡状态。 现在，在每个时刻，车轮都可以被视为一个杠杆（如虚线所示），在车轮与地面接触点处被支撑。
在扭矩t的作用下，杠杆将倾向于绕着与地面接触的点旋转，并且车轮的中心将倾向于前进并且将车轴和车辆一起带走。 因此，在它的中心，车轮用一个我们称之为P1的力向前压在车桥壳体上。 这个力（P1）的反作用力P2向后作用在车轮上。 由于车轮处于平衡状态，因此必须有一个相等且相反的作用力P3。 这是车轮和道路之间的粘合力。
驱动力P2和P3构成一对力偶矩作用于车轮使其向
图25.5 图25.6
顺时针方向转动，因为轮子处于平衡状态, 并且作用在上面的一对力也处于平衡, 作用力P2P3必须相等又驱动轴作用在轮子上的力矩t.现在, 一对力矩P2p3的大小是p3 x R , 其中R是p2p3之间的距离, 在这种情况下,。因此-
t = P3 x R
和因为t = n x m x T我们有
n x m xT = P3 x R
或
P 3 = n x m R x T
现在, 最终驱动器比率m和轮半径R的值为任何给定的车辆、常量和任何特定变速箱齿轮的比率n的值为常量。因此, 对于任何特定变速箱齿轮分数的值 (n x m)/R是一个常量, 可称为K.
接下来的牵引工作将由等式P = K x t t是引擎扭矩, K是一个常量, 其值取决于车轮半径、最终传动比和变速箱齿轮比.
25.6 牵引力随速度改变
现在，由于发动机与驱动轮连接，特定的发动机转速对应于特定的车辆速度，并且由于牵引力与发动机转矩成比例，所以牵引力随车速变化的变化将取决于随着发动机转速随发动机转速的变化而变化。这个最后的关系已经被考虑过了，曲线显示出它在图3.7中给出。显示牵引力与车速之间关系的曲线将具有相同的形状;实际上，只要尺度适当改变，也可以使用相同的曲线。
一些典型的图表显示了发动机扭矩如何随速度变化，如图1.7和图1.8所示，由于发动机和车轮通过啮合齿轮锁定在一起，表明扭矩或牵引力与车辆速度之间关系的图形形状相同。因此，只要尺度适当改变，相同的曲线就可以用于两者。换句话说，对于给定的传动比，每个发动机转速不可避免地对应于某个车速。
在图25.6中的RS处示出牵引力的曲线图，该曲线与给定的变速箱比率下的车辆速度，给定的最终传动比和给定的车轮半径相关。 如果变速箱的比例发生变化，我们将得到另一条牵引力的曲线。 因此，如果变速箱比率改变以使得发动机和后轮之间的总传动比是原来的两倍，则曲线RS将变为曲线TU，曲线之间的关系是RS的所有水平距离都是 减半并且相应的垂直距离加倍以给出TU，因为对于给定的发动机速度，加倍总传动比将使车辆速度减半，但是将使牵引力加倍。。
25.7 性能曲线
如此获得的曲线显示了随着车辆速度的变化，牵引力和要克服的总阻力的变化，让这些曲线绘制成相同比例和相同纸张，如图3所示。25.7。 在该图中，曲线A-F是具有均匀表面但具有不同梯度的道路的总阻力的曲线，曲线A是水平，曲线F是最陡的梯度。 曲线RS，TU和VW是三种不同齿轮比的牵引力曲线，RS是例如顶部齿轮，TU是下一个较低齿轮等。
假设车辆以OX代表的速度行驶。 然后，要克服的阻力是XY，而可用的牵引力是XZ。可用的牵引力因此大于要克服的阻力，并且过量的牵引力YZ将增加车辆的速度。 现在随着速度的增加，阻力也增加了，但是会注意到牵引力会下降。 由对应于YZ的截距给出的可用于加速的过量牵引力随着速度增加而变得越来越小，直到当速度为OM时，可用的牵引力仅等于待克服的阻力。 因此没有可用于加速的过度牵引力，并且速度不能进一步增加，OM代表车辆在曲线A适用的平坦道路上可达到的最高速度。
曲线RS代表发动机运转时的牵引力
0 15 30 45 60 X 75 M 90
车速（公里/小时）
图25.7
油门全开。如果不希望增加速度超过OX值，则油门将关闭，直到牵引力等于XY，速度将保持但不增加。
现在假设车辆以最高速度OM行驶在水平面上，并且它达到了曲线B适用的坡度。 在梯度B上的速度OM上，阻力为MN，但可用的牵引力仅为MH。 因此，过载阻力HN会使车辆减速并且速度将下降到点I给出的值，在该点处牵引力等于要克服的阻力。
现在假设坡度变得更陡峭和陡峭，以便我们从曲线B到曲线C依次传递，等等。 如点J，K等所示，可以保持的速度逐渐降低，并且可以看出，由于牵引力曲线位于阻力曲线下方的任何位置，我们无法以任何速度来运行坡度E.
现在，对于普通尺寸的发动机，如果传动比等于给出合理的最高速度，那么相当中等的坡度将产生由曲线E表示的条件，并且车辆将被停止。 但是如果发动机和驱动轮之间的传动比可以改变，我们可以从牵引力曲线RS传递到曲线TU，然后梯度E可以以点L给出的速度运行。。
因此，为了在水平上允许合理高的最大速度并且同时能够爬升中等梯度，我们需要有两种不同的传动比。类似地，为了允许合理的高中速梯度并且能够爬升陡峭梯度，我们需要第三传动比，并且第四或第五比率可能是期望的。
还应该清楚的是，在较低的速度下，当特别期望快速加速时，在较低的档位上可用的牵引力比在较高的档位上可用的更大。
以上是对变速箱存在理由的完整说明，应该清楚的是，理想的变速箱可以提供无限的变速比范围，从而使发动机转速可以保持在或接近最大功率无论车辆的速度如何，都能发展。这假定最大速度是目标。如果需要最大的经济性，发动机需要以给定功率输出的可能最高转矩运行。许多传动装置的发展，例如各种液压和电气机构，其主要目标是可用比率的倍增。一般来说，采用折衷方案，并根据装配的发动机的尺寸和其他考虑因素提供三个，四个或更多的传动比。
25.8 离合器动作
图25.7也用于说明离合器如何使汽车从静止状态启动。 当汽车静止时，在汽车移动之前要克服的阻力是OQ给出的A级道路。 如果发动机与驱动轮永久连接，它当然会处于静止状态，牵引力将为零。 然而，离合器允许发动机以提供比OQ更大的牵引力的转矩的速度运转，并且使该转矩能够传递到驱动轮，尽管在开始时后者处于静止状态。
25.9 恒定功率 TE 速度曲线
如果可以使车辆的发动机在所有速度下达到最大功率，那么由于功率= TEtimes;速度，因此TE将与车速成反比。
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