Part 2
Transmission
Chapter 25
Why is a gearbox necessary?
Control over power output, by means of the throttle pedal, simply regulates the rate at which the engine is doing work: at very high speeds, the power output will be correspondingly high but, as has been explained in Chapter 1, the torque output can at the same time be significantly less than at considerably lower speeds. In other words, maximum torque may be available over only a very limited speed range. Consequently, one needs to be able to regulate both the power output and the speed range of the engine relative to the range of speeds over which the vehicle is at any given time likely to be required to operate. Only in this way can the torque at the wheels be balanced against demands for either a steady speed uphill or downhill, or on the level, or for acceleration or deceleration. A gearbox is necessary, therefore, so that the driver can regulate torque by selecting the appropriate speed range or, in other words, the vehicle speed at which maximum torque is obtainable.
When a vehicle is moving at a uniform speed, the driving force, or tractive effort, at the wheels must be such as to exactly balance the sum of three categories of variable forces tending to oppose the motion. If it is greater, the car will accelerate, and if it is smaller, it will decelerate until a balance is obtained. Such a balance will be established eventually, because two of the forces vary with speed. The three forces are: (1) aerodynamic, or air, resistance; (2) gradient resistance, which can be either positive or negative; and (3) rolling resistance.
25.1 Aerodynamic forces
Air offers a resistance to the passage of bodies through it, as does water or any other fluid. The magnitude of this resistance is dependent directly upon the shape and frontal area of the body exposed to the fluid it is passing through, and to the square of its velocity. Some practical indication of these phenomena can be gained by pushing a small flat plate first edgewise and then frontally in a tank of water, and at various speeds. With a plate of larger area, similar effects can be felt in air. A graph of air resistance against speed of a vehicle is shown in Fig. 25.1, from which it can be seen that doubling the speed quadruples the air drag.
A practical implication is that for slow vehicles such as farm tractors air resistance is so small that it can be ignored while for high speed vehicles such as racing cars it is of paramount importance. For a family saloon car, it
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Fig. 25.1 Fig. 25.2
begins to become significant at about 45 mph (72 km/h). The economy of operation of most heavy commercial vehicles, on the other hand, because of the rectangular form of their bodies and therefore almost a flat plate approach to the air, can be significantly affected by increasing speed of operation, specially if they are being driven into the wind.
25.2 Gradient resistance
A diagram representing a car standing on a gradient is shown in Fig. 25.2. The weight of the car, acting vertically downwards, can be resolved into two components: H parallel to the slope and K perpendicular to the slope. To prevent the car from rolling downwards, a force equal and opposite to H has to be applied by the wheels at their contact with the road surface. It the car is to be propelled up the slope, not only that force but also an additional force must be applied, to neutralise the aerodynamic and rolling resistances as well as the force H. It follows that the gradient resistance H is dependent solely on the steepness of the slope and is unaffected by the speed of the car, provided it is constant, either up or down the gradient. It should be noted, however, that during acceleration another force acting, in effect, through the centre of gravity of the car is introduced.
25.3 Rolling resistance
All the remaining forces resisting motion at a constant speed come under the heading of rolling resistance. In some circumstances, they include not only the resistance of the tyres but also the effects of the friction in the transmission system. In general, however, the latter differ according to which gear is engaged so, for calculation purposes, they are normally deducted from the torque available from the engine in that gear.
Rolling resistance is attributable to both the dissipation of energy by the continuous impact of the tyre on the road, and the actual deformation of the tyre and, especially on soft surfaces, of the road too. It should be noted that, on soft surfaces, the wheels are, in effect, being continuously driven up a ramp to lift the vehicle out of the rut into which its wheels have sunk.
It follows that, the softer the tyre or track, and the greater the volume of rubber being deflected, the greater is the rolling resistance, though speed does have a small influence. Impact resistance, on the other hand, is positively influenced by both the speed of the vehicle and its suspension characteristics. However, since impact resistance is a small proportion of the total, it is usual, unless extreme accuracy is required, to take rolling resistance on a good road as being directly proportional to load.
25.4 Total resistance
The total resistance to the motion of a vehicle is the sum of the above three resistances and is thus composed of two parts that are independent of the speed of the vehicle – the rolling resistance and the gradient resistance – and of one part that is dependent on the speed – the air resistance.
A curve of total resistance against speed is therefore obtained by shifting the curve of Fig. 25.1 up vertically by the amount of the rolling and gradient resistances as is shown in Fig. 25.3.
Thus when the sp
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第二篇 传动系统
第25章
为什么需要变速箱
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著低于相当低的速度。 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使汽车运动相反的三类变力的合力。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
空气提供了一个对通过它的物体的抵抗力，如水或任何其他流体。这个阻力的大小直接取决于物体暴露于流经的流体的形状和前部面积，以及它的速度的平方。这些现象的一些实际现象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。对于较大面积的平板，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。
实际情况下，对于农用拖拉机等慢速车辆来说，空气阻力非常小，所以可以忽略，但是对于赛车等高速车辆来说，空气阻力是不可以忽略的，这是非常重要的。对于家庭轿车来说，空气阻力在45英里/小时（72公里/小时）时开始变得显着。另一方面，大多数重型商用车辆因为它们车身的矩形形状，因此几乎是平板接近空气，所以它们的操纵经济性随行驶速度的增加有明显影响，特别是如果它们在风中行驶的时候。
图25.1 图25.2
25.2坡度阻力
图25.2显示了一辆车站在斜坡上的受力分析图。 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。汽车在斜坡上行驶，不仅需要施加此力，还需要施加额外的力，以抵消空气阻力和滚动阻力以及重力分力H.因此，坡度阻力H仅取决于斜坡度数，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发挥作用的力被引入。
25.3滚动阻力
所有其余的力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。
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
车辆运动的总阻力是以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，以及取决于速度的力——空气阻力。
因此，通过将图25.1的曲线垂直向上移动滚动和坡度阻力的大小，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，坡度阻力RQ和空气阻力QP组成。如果坡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这些阻力增加或减少的量。
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路面或不同坡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表示在三十分之一的坡度上的总阻力，等等。
图25.3 图25.4
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，我们将发现，如果忽略摩擦损失，并且如果没有能量存储，则放入发动机端的齿轮箱中的所有能量必须在螺旋桨上给出轴端。由于在单位时间内完成的工作（当考虑发动机旋转时）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传动轴的转矩和传动轴的转速的乘积。因此，如果传动轴转速是发动机转速的1 / n，则作用在传动轴上的转矩必须是发动机转矩的n倍。那么，我们已经知道，传动轴转矩= 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。
传动轴通过另外一个发生减速现象的主减速器来驱动汽车主动轮转动。 如果车轮转速是传动轴转速的1 / n，那么作用在车轮上的转矩（两个车轮被视为单个车轮）将是传动轴转矩的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是
t = n times; m times; T
其中n是变速箱比率，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。如果车轮被认为处于平衡状态，则作用于其上的力必须处于平衡状态，并且这些力偶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动。因此，在它的中心，车轮以一个我们称之为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附着力。
力P2和P3构成一对倾向于沿顺时针方向转动车轮的力偶，并且因为车轮处于平衡状态，因此作用于其上的力偶也处于平衡状态，所以力偶P2、P3必须等于通过驱动轴施加到车轮的力偶t。 现在力偶P2、P3的大小是P3times;R，其中R是力P2、P3之间的距离，在这种情况下是轮子的半径。于是
t = P3 times; R
然后由t = n times; m times; T我们得到
n times; m times; T = P3 times; R
或
P3 = n times; m times; T/ R
现在，对于任何给定的车辆，主减速比m和车轮半径R的值是常数，并且对于任何特定变速箱齿轮，比值n的值是恒定的。 因此，对于任何特定变速箱齿轮，分数（ntimes;m）/ R的值是一个常数，可以称为K.
然后由等式P = Ktimes;T给出牵引力，其中T是发动机扭矩，K是一个常数，其值取决于车轮半径，主减速比和变速箱传动比。
图 25.5 图 25.6
25.6牵引力随速度的变化
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变化而发生变化的发动机转矩。 这个最后的关系已经被考虑过了并且它在曲线图3.7中显示出。 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，即使尺度稍微适当改变，也可以使用相同的曲线。
以下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，表中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。
曲线图25.6中的RS表示出牵引力与车辆速度对比，其中给定的变速箱传动比，给定的主减速比和给定的车轮半径。如果变速箱的传动比发生变化，我们将得到另一条牵引力的曲线。因此，如果变速箱传动比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作出TU，因为对于给定的发动机速度，总传动比加倍将使车辆速度减半，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变化的车辆速度，牵引力和要克服的总阻力的变化，让这些曲线绘制成相同的比例和相同的纸张，如图25.7所示。在该图中，曲线A-F是具有均匀路面但具有不同坡度的道路的总阻力的曲线，曲线A是水平，曲线F是最陡的坡度。曲线RS，TU和VW是三种不同齿轮比的牵引力曲线，例如RS是最高档，TU是下一个较低档等。
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的可用于加速的截距给出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表示发动机在节气门打开的情况下的牵引力。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，并且它达到曲线B所应用的坡度。 在坡度B上的速度OM处，阻力是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。
现在假设坡度变得越来越大，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，并且将会看到，由于牵引力曲线位于阻力曲线下方的任何位置，我们无法使汽车以任何速度来爬行坡度E.
现在，对于普通尺寸的发动机，如果变速器传动比等于在水平上给出合理的最大速度，那么相当中等的坡度将达到由曲线E表示的条件，而且车辆将无法行驶。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坡度，我们需要有两种不同的传动比。类似地，为了能使汽车以合理地高速爬上中等坡度并且能够爬上角度较大的坡度，我们需要第三传动比，并且第四或第五传动比也是有可能的。
还应该清楚的是，在较低的速度下，当特别希望快速加速时，较低档位的牵引力比高一档的档位牵引力高。
以上是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范围的变速比，以便无论车辆的速度如何发动机转速都可以保持在或接近最大功率。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，如各种液压和电气机构，其主要目标是可变传动比的倍数。 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。
图 25.7
25.8离合器工作过程
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，尽管后者开始时是静止的。
25.9恒定功率下的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。TE对车速的曲线如图25.8中的实线曲线所示。实际发动机和变速箱组合的TE曲线将在一个点上触发该恒定功率曲线（对应于发动机提供其最大功率的发动机速度），但将位于其内部的任何其他位置，如虚线曲线所示。恒功率曲线是TE曲线的理想形式，其形状可以通过蒸汽机和牵引电机的形式来实现; 如果有100％效率的无级变速箱可用，则可以使用任何发动机获得。
图 25.8
25.10以马力为基础的性能曲线
我们可以将性能看作是将其视为发动机产生能量的速率与使用率之间的平衡在车轮上的能量，也就是能量的平衡，而不是可用的牵引力与要克服的阻力之间的平衡，即力量的平衡。这在图25.9中示出。曲线A和E表示在相应的速度下克服由图25.7的曲线A和E表示的阻力所需的马力，并且曲线RS和TU表示在对应于曲线的两个齿轮上的车轮处可用的马力 RS和TU。当然，任何时刻可用的功率等于发动机当时所忽略的摩擦损失所产生的功率，传动比变化的唯一影响是改变对应于给定发动机速度的道路速度。
A和E所涉及的道路上的最大可能速度由代表发动机最大马力的水平线与曲线A和E的交点给出，并且这些道路的最佳传动比将是这样的，即在那些最大的道路速度是发动机功率最大时的发动机转速。 齿轮比与最佳值产生任何变化都会导致可达到的最大速度的降低。
曲线RS和TU绘制的齿轮比可能的最大速度分别由交点H和L给出。
为车辆设定传动比的过程最终是一个实验过程，但是起点的近似值可以通过如下推导出来。
画出与图25.9的曲线A相对应的曲线，并且从与最
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