6.2 Transmission Formats and Designs
Completed transmissions are distinguished in terms of format and design. Transmission format relates to the morphology or external appearance of the transmission, or the configuration of input and output.
The transmission design describes how the main functions of the transmission are engineered. It relates to the internal configuration. Transmissions can thus have different designs and share the same format. The format selected for a design depends on various criteria; principally the vehicle design, the type of engine and the intended use
6.2.1 Transmission Format
The format of the transmission (Figure 6.10) is determined primarily by the position of the transmission in the vehicle or in the power train (Section 6.1), and any additional geometrical constraints, such as space limitations. The format is also affected by assembly considerations (both as regards the transmission itself and as regards its installation in the vehicle), by gearbox housing rigidity and by noise emissions. Transmissions often comprise several individual gearboxes, which can also be housed in separate gearbox housings. In this case, the relative position of the individual housings is an important factor influencing the format of the transmission as a whole.
Fig. 6.10. Examples of different transmission formats
The format of a transmission concerns the design engineer principally when adapt-ing or developing existing designs, for example adapting an existing transmission to a new vehicle with different dimensional constraints.
With standard drive (front-mounted longitudinal engine and transmission, rear-wheel drive, Figure 6.2g), the coaxial transmission format is used. If there are two driven rear axles, or if all-wheel drive is used, then a transfer box is needed, which may be flange-mounted directly onto the gearbox or separate from it.
For front-wheel drive layouts, a transmission format is used in which the axle drive with the differential is integrated into the gearbox. Input and output are not coaxial in this case.
6.2.2 Transmission Design
The transmission design is derived from the functional principles applied, to fulfil the main functions of the transmission. As already indicated in Section 2.3.3, a vehicle transmission has four main functions: “Moving-off from rest”, “Changing ratio/rotational speed”, “Shifting/establishing power flow” and “Operating/controlling the gearbox”.
The “Moving-off from rest” function can be carried out mechanically, electro-mechanically or hydraulically. The “Changing ratio/rotational speed” function can be carried out using spur gears, planetary gears, hydrodynamic or hydrostatic transmissions or mechanical continuously variable transmissions. The “Shifting/establishing power flow” function can be divided into the two functional principles positive engagement or frictional engagement. The “Operating/controlling” function can be carried out by manual shifting, automation or an automatic system with associated control unit.
Their selection depends on the power to be transmitted, considering traction utilisation and ease of operation. Especially in the case of new developments, the design engineer has to decide on the design or combination of designs of the transmission.
Combinations of different designs are, in principle, always an option for carry-ing out the various main functions. In the last 100 years numerous possible solutions have been proposed for vehicle transmissions. These can be systematically represented in a morphological matrix (Table 6.6). The main functions are shown in the four rows of this table, and the associated solution principles applied appear in the columns. By combining these principles to form a complete transmission, you get all possible combinations of transmission designs. Not all theoretical combinations are of significance or relevance in practice.
A preliminary selection can be made by assessing the design under consideration, and other alternatives. This preliminary selection follows on from the concept phase of transmission development.
In multi-range transmissions (Section 6.7.1), these main functions can take different forms for each individual range unit. Each individual range unit must have the following main functions: “Changing ratio/rotational speed”, “Shifting/establishing power flow” and “Operating/controlling the gearbox”.
Table 6.6. Morphological matrix of solution principles for the main functions. The principles underlying a conventional manual gearbox are highlighted in grey
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Main function |
Principle of operation |
||||
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1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
Enable moving off from rest |
Mechanical Dry |
Mechanical Wet |
Electro mechanical |
Hydro dynamic |
Hydro sta |
|
Change ratio/speed |
Spur gears |
Planetary gears |
Hydro dynamic |
Hydro static |
Mechanical continuous |
|
Shift/establish power flow |
Positive Engaged Sliding gears |
Positive engaged Shifting dog, synchronized |
Positive engaged Shifting dog, unsynchron |
Frictional engaged Multi-plate clutch |
Frictional engaged Multi-plate brake |
|
Operate/control the transmission |
Manual shift |
Automated electr./mech |
Automated Electr./hydr |
Automated Electr./pneum |
Automatic Electr./hydr |
Even with multi-range transmissions,
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6.2 变速器的形式与设计
完整的变速器设计在形式和设计方面是区分开来的。 传输形式涉及变速器的形态或外观，或输入和输出的配置。
变速器设计描述了传输的主要功能如何设计。 它涉及内部配置。 因此，变速器可以具有不同的设计并且相同的形式。设计选择的格式取决于各种标准; 主要是车辆设计，发动机类型和预定用途。
6.2.1 变速器形式
变速箱的格式（图6.10）主要由变速器在车辆或动力传动系（6.1节）中的位置以及任何其他几何约束（如空间限制）决定。 形式也受到装配考虑（无论是传动装置本身还是车辆安装方面），齿轮箱外壳刚度和噪音排放都会受到影响。 完整的变速箱通常由几个单独的齿轮箱组成，也可以安装在单独的齿轮箱外壳中。 在这种情况下，单独的齿轮箱的相对位置是影响整个变速器形式的一个重要因素。
图6.10 不同变速器形式的示例
变速器的格式主要涉及设计工程师适应或开发现有设计，例如将现有变速器适应于具有不同尺寸限制的新车辆。
使用标准驱动（前置纵向发动机和变速器，后轮驱动，图6.2g），使用同轴传动格式。 如果有两个从动后桥，或者如果使用四轮驱动，则需要一个传送箱，可以将其直接将法兰安装到齿轮箱上或与其分离。
对于前轮驱动布局，带有差速器的变速器的车轴驱动器集成到变速箱中。 在这种情况下，输入和输出不是同轴的。
6.2.2变速器的设计
变速器的设计源于应用的功能原理，以满足传动的主要功能。 如第2.3.3节所述，车辆变速箱有四个主要功能：“改变传递路线”，“变速/转速”，“改变能量传递方向”和“操作/控制” 。“改变传递路线”功能可以分为机械，机电或液压。 “变速/转速”功能可以使用正齿轮，行星齿轮，流体动力学或液压传动或机械无级变速器进行。 “改变能量传递方向”功能可以分为两个功能原理接合或摩擦接合。 “操作/控制”功能可以通过手动换档，自动化或具有相关控制单元的自动系统进行。
它们的选择取决于传动的功率，考虑到牵引力的利用和操作的便利性。 特别是在新开发的情况下，设计工程师必须决定变速器的设计或组合
不同设计的组合原则上始终是执行各种主要功能的选择。 在过去的100年中，汽车变速箱提出了许多可能的解决方案。 这些可以以形态学矩阵系统地表示（表6.6）。 主要功能显示在此表的四行中，并且应用的相关解决方案原理出现在列中。 通过组合这些原理以形成完整的传输，便可以获得具有所有可能的传输设计组合。 并非所有理论组合在实践中都具有重要意义或相关性。
可以通过评估所考虑的设计以及其他替代方案进行初步选择。 这个初步选择是从传输开发的概念阶段开始的。
在多量程变速器（6.7.1节）中，这些主要功能可以根据每个单独的量程单位采取不同的形式。 每个单独的量程单元必须具有以下主要功能：“改变比率/转速”，“改变能量传动形式”和“操作/控制”。
表6.6。 解决主要功能原则的形态矩阵。
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主要功能 |
布置原则 |
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1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
可以从后面传递 |
干机械式 |
湿机械式 |
电子机械式 |
水动态式 |
水电静态式 |
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改变传动比/速度 |
正齿轮 |
行星齿轮 |
水动态式 |
水电静态式 |
连续机械式 |
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切换/建立能量流动 |
正从动滑动齿轮 |
正向传递 传动 同步 |
正向传递 传动 不同步 |
摩擦 多盘离合器 |
摩擦 多盘制动器 |
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操作控制变速器 |
手动变速 |
自动电子机械 |
自动电子动态 |
自动电子 |
自动电子动态 |
即使使用多范围传输，应用“移动”功能主要根据一个原则。 功能原理及其物理原理会随着技术的进步而改变。
6.3基本变速箱概念
齿轮变速箱通过其技术设计或构成单个齿轮的传动比进行分类：
bull;单级传输，
bull;两级传动
bull;多级传输
阶段是指齿轮对或从一个齿轮到另一个齿轮的动力流。 一个阶段通常涉及从一个轴到另一个轴的动力流。 图6.11显示了四速中间轴变速器的设计。 “中间轴传动”会在6.4节中定义。 单级变速器主要用于前轮驱动车辆，因为与标准驱动车辆不同，它们不需要同轴传动动力流。
在标准动力总成配置（发动机和变速器在前面，后桥驱动）下，具有同轴输入和输出轴的两级中间轴传动实际上是通用的。
图6.11。 以使用4速变速箱的变速比配置为例
多级（两级以上）变速器与前置发动机前轮驱动车辆的单档传动装置一样适用。 齿轮的数量取决于齿轮的数量。 多级设计使得变速箱的结构尺寸变短。 多级同轴传动主要用于具有前置或后置范围单元的商用车辆（见第6.7.1节）。
要确定具有特殊应用的变速器，首先需要根据传动比定义。 所涉及的换挡要素也是影响变速器结构的一部分。
6.3.1换挡中动力中断
传动装置无负载地换挡，即在变速操作期间，主动轮和车轮之间的动力流被中断。变速操作期间的车体会受到损害。这可能会导致速度的损失（图6.12），这取决于地形的难度（梯度，高滚动阻力）。为了限制这种速度损失，换档操作不能太长;整个档位变化因此，操作必须在不到一秒钟内完成。对于多范围变速器，这意味着在各个量程单位内的变速操作必须在0.2到0.3秒之内进行（假设它们是连续的）。这就是为什么不能无限期地增加档位数量的一个原因，尽管这将导致所需齿轮对的数量减少（另见第6.7.1节）。在各种换挡点上同时进行的多个单独换档动作的要求在工程学上是非常重要的。
无论何时动力中断在变速过程中车速没有明显下降（或下坡运行增加）的任何地方都可以使用，并且驾驶员的换档操作是合理的。 除了手动变速传动之外，这也适用于自动变速器，当换挡时，通过打开主离合器来中断动力流量。
6.12 随着换挡中断而变化时，定性牵引力和速度曲线
在自动中间轴式卡车变速箱的情况下，正常运行会导致动力中断。 车辆加速力相对较低，车身质量高，乘坐质量不是首要考虑因素。
6.3.2 换挡没有动力中断
如同动力中断发生变化一样，变速比会逐步变化。 但是在这种情况下，在操作期间动力流动不会中断（图6.13）。
这种变速器被称为摩擦传动或动力换档传动。 在不中断动力流动的情况下，从一个传动比向另一个传动比的转换。 这些传动比可以通过附加的制动或离合器元件在负载下改变。 在这种情况下，旧的齿轮组从动力流中被释放，而新的齿轮组会在动力流中接合。 速度没有降低。
6.13 定性牵引力和速度随着动力变化的分布
应用这种传动装置的实例是那些具有各种齿数比的自动变速器（常规自动变速器，中间轴式自动变速器和双离合变速器，见图1.2）。
动力传动非常适合快速换档。 这种变速箱用于大型车辆，其中在困难的地形上行驶的车辆或者所有驾驶员要需要减轻换挡活动的车辆上应用。 它们配有手动和自动档位选择。
6.3.3 变速比连续变化的变速器
这里的比例变化不再是步进的，而是不断变化（参见第5.3.4节和第6.6.6节）。 牵引力适应驾驶阻力，而驾驶员不受任何干扰（图6.14）。 这种类型的特征输出转换代表理论上的理想情况。 各种机械变型以摩擦齿轮或滑轮传动装置的形式是已知的，其基于将转速转换成连续可变的直径。 除了机械方案，还有液压解决方案。 流体力学转换器是其中最着名的例子。
包括泵和马达的组合的静液压变速器也提供连续可变的转速调节。 通常，静液传动联接到行星齿轮，以增加整体齿轮比，并且可以选择不同的操作范围，还有一些具有动力分配。
图6.14 定性牵引力和速度曲线，用于连续上升动力
6.4 变速器分为固定轴，中间轴的齿轮组
变速器和行星齿轮变速器
齿轮传动分为：
bull;带固定轴的齿轮组和
bull;行星齿轮。
这些术语涉及接合在变速器中的齿轮的轴线。 在具有固定轴的齿轮组的情况下，变速器中所有齿轮的轴线相对于变速箱壳体固定。 在行星齿轮组中，旋转杆承载行星齿轮的轴线。
中间轴变速器：术语中间轴变速器[6.30]涉及一个只有一个输入轴和一个输出轴的传动装置，以及一个位于外壳中固定位置的对轴（图6.11）。 因此，中轴传动是具有固定轴的齿轮组。 在单级同轴传动的情况下，输出轴和中间轴组合在一起，因此也可称为“减速”中间轴变速器。
行星传动：在行星传动装置中，装置上总是有三个或更多的行星齿轮（图6.15），以确保均匀和较低的应力。行星齿轮数和齿数都不影响传动比; 它们仅仅是改变转旋转方向。因此，行星齿轮的轴线完成了围绕齿轮箱主轴的旋转运动。
6.15 齿轮组带固定轴和行星齿轮
还有混合设计，结合齿轮组与固定轴和行星齿轮的元件。 在轴位置固定的情况下，行星齿轮定义成为具有固定轴的齿轮组。
行星传动装置提供了一种行星齿轮组可能的运动状态的九种组合。 这些来自于事实，原则上可以将环形齿轮，星形轮或太阳轮的定位固定为“框架”。剩下的两个传动部件可以用作行星的输入或输出。
各个运动状态的比例不能独立选择，而是由太阳齿轮和环形齿轮上的齿数定义（表6.7）。 该表未列出空转的运动状态。 此外，不是所有的传动比都适用于机动车辆。
如果行星齿轮组中的任何一个部件都处于固定位置，则可以作为差速驱动装置，总成变速箱，传动齿轮箱或不同档位。 如果几个行星齿轮组连接在一起，结果就是所谓的联轴器。 这种齿轮使得可以实现输入和输出之间的不同比例，这取决于各个传动组件如何连接在一起以及哪些部件处于固定位置。 这些部件通过离合器连接在一起，组件通过制动器与变速箱相连。
在齿轮传动装置中，随着齿轮传动装置的可用传动比可以提供更多的可能比例，在传动装置中会进一步显着增加，但并不是所有可以从传动装置得到的传动比都与车辆相关。除了简单的行星传动机构在这里讨论。 您现在可以参考第6.6节和相关文献[6.29-6.30,6.32]。
表6.7。 简单行星齿轮组的运动状态和比例[6.29]。 在公式中输入内齿轮的数量为正值
6.16 行星联轴器
a威尔逊行星齿轮组; b辛普森行星齿轮组
具有各种齿轮比的常规自动变速器由多个单独的行星齿轮组构成。 由于相同的齿轮用于几个档位，所以各个齿轮级的比率不能彼此独立地自由选择。 图6.16中显示了威尔逊传动部件和辛普森行星齿轮组的部件。
行星耦合齿轮也可以动力分配。 在计算各种路径中的功率值时也可能产生无功功率。 无功功率可以设想为功率，在电路中流动，这从外部无法检测到。 然而，它强调了其流动的部件，并损害了传输的整体效率。 行星传动可以达到非常低的整体效率水平，在极端情况下甚至会变得负面。 这表示传输互锁，其在某些情况下可以是期望的，因为传输不能从输出侧移动。
6.6 乘用车变速器
乘用车变速器分为以下主要形式（参见图1.2）：
bull;手动变速器（MT），
bull;自动手动变速器（AMT），
bull;各种变速比的自动变速箱，
- 双离合器变速器（DCT），
- 常规自动变速器（AT）（由流体动力学组成
变矩器和后置行星传动装置），
- 中轴式自动变速箱，
bull;混合驱动器，
bull;机械无级变速器（CVT）。
以下将介绍乘用车变速器的基本设计原则。 表6.10以总结形式显示了在系统部分6.6.1至6.6.6中的变速器，并且设计在第12.1.1至12.1.6节。
表6.10。 在6.6.1-6.6.6节以及第12.1.1-12.1.6节中介绍了客车变速箱。 FT前横向驱动; S标准驱动; FL前纵向驱动; FLA前纵四驱; RL后置马达纵向驱动; RT后电机横向驱动; TCC变矩器离合器; CC转换器锁止离合器
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表的序号 |
速度 |
特点 |
结构 |
结构 |
名称 |
设计序号 |
序号. |
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6.18a |
4 |
MT, 1-stage |
FT |
VW |
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