发动机构造第13章.docx
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发动机构造第13章
第二篇汽车传动系统
第十三章汽车传动系统概述
一、传动系统的组成与功能
汽车传动系统是位于发动机和驱动车轮之间的动力传动装置，其基本功用是将发动机发
出的动力传给驱动车轮。
1·汽车传动系统的组成
汽车传动系统的组成及其在汽车上的布置形式，取决于发动机的形式和性能、汽车总体结
构形式、汽车行驶系统及传动系统车身的结构形式等许多因素。
目前广泛应用于普通双轴货
车上，并与活塞式内燃机配用的机械式传动系统的组成及布置形式一般如图13-1所示。
发动
机纵向安置在汽车前部，并且以后轮为驱动轮。
图中有标号的部分为传动系统。
发动机发出
的动力依次经过离合器1、变速器2、由万向节3和传动轴8组成的万向传动装置以及安装在
驱动桥4中的主减速器7、差速器5和半轴6，最后传到驱动车轮。
2·汽车传动系统的功能
传动系统的首要任务是与发动机协同工作，以保证汽车在各种行驶条件下正常行驶所必
需的驱动力与车速，并使汽车具有良好的动力性和燃油经济性。
为此，任何形式的传动系统都必须具有以下功能。
（1）实现减速增矩只有当作用在驱动轮上的驱动力足以克服外界对汽车的阻力时，汽
车方能起步并正常行驶。
由试验得知，即便汽车在平直的沥青路面上以低速匀速行驶，也需要
克服数值约相当于1.5%汽车总重力的滚动阻力。
以东风EQ1090E型汽车为例，该车满载质
量为9290kg（总重力为91104N），其最小滚动阻力约为1376N。
若要求该车在满载时能在坡度为30%的道路上匀速上坡行驶，则所需要克服的上坡阻力即达2734N。
该车所采用的
6100Q一1型发动机所能产生的最大转矩为353N·m（此时发动机转速为1200~1400r/min）。
假设将这一转矩直接如数传给驱动轮，则驱动轮可能得到的驱动力仅为784N。
显然，在此情况下，汽车不仅不能爬坡，即使在平直的良好路面上也不可能行驶。
另一方面，6100Q一1型发动机在发出最大功率99.3kW时的发动机转速为3000r/min。
假如将发动机与驱动轮之间直接连接，则对应这一发动机转速的汽车速度将达510km/h。
这
样高的车速既不实用，又不可能实现（因为相应的驱动力太小，汽车根本无法起步）。
为解决上述矛盾，必须使传动系统具有减速增矩的作用，亦即使驱动轮的转速降低为发动
机转速的若干分之一，相应地驱动轮所得到的转矩则增大到发动机转矩的若干倍。
此项功能
通常由变速器2（传动比以i
表示）和驱动桥4中的主减速器7（传动比以i
表示）共同来实
现。
在机械式传动系统中，若不计摩擦损失，则驱动轮的转矩与发动机的转矩之比等于发动机转速与驱动轮转速之比。
该比值称为传动系统的传动比，以符号E表示。
（2）实现汽车变速汽车的使用条件，诸如汽车的装载质量、道路坡度、路面状况以及道路宽度和曲率、交通情况所允许的车速等等，都在很大范围内不断变化，这就要求汽车驱动力和速度也有相当大的变化范围。
另一方面，从第一章可知，就活塞式内燃机而言，在其整个转速范围内，转矩的变化不大，而功率及燃油消耗率的变化却很大，因而保证发动机功率较大而燃油消耗率较低的曲轴转速范围，即有利转速范围是很窄的。
为了便发动机能保持在有利转速范围内工作，而汽车驱动力和速度又在足够大的范围内变化，应当使传动系统传动比在最大值和最小值之间变化，即传动系统应起变速作用。
此项功能通常由变速器2来实现。
传动系统中的变速器和驱动桥中的主减速器是串联的，整个传动系统总的传动比等于变
速器和主减速器传动比的乘积，即i=i
i
。
传动系统传动比的最小值i
而应保证汽车能在平直
良好的路面上克服滚动阻力和空气阻力，并以相应的最高速度行驶。
通常变速器直接挡的传
动比为最小值（i
=1），则整个传动系统的最小传动比;i
就等于主减速器的传动比i
。
轿车
和轻型货车的i
;而一般为3~6，中、重型货车的i
一般为6~15。
当要求驱动力足以克服最大行驶阻力，或要求汽车具有某一最低稳定速度时，传动系统传
动比就相应取力最大值i
。
整个传动系统传动比的最大值i
等于变速器的一挡传动。
比
与主减速器传动比i
的乘积。
i
在轿车上约为12~18，在轻、中型货车上约为35~50
（EQ1090E型汽车的元i
为47.35）。
若传动比在一定范围内的变化是连续的和渐进的，则称为无级变速。
无级变速可以保证发动机保持在最有利的工况下工作，因而有利于提高汽车的动力性和燃油经济性。
但对机械式传动系统而言，实现无级变速比较困难。
因此，大部分机械式传动系统是有级变速的，即变速器的挡位数是有限的。
一般轿车和轻、中型货车的传动比有3-5挡，越野汽车和重型货车的传动比可多达8-10挡。
实现有级变速的结构措施，大多数是只在主减速器之前的辅助减
速机构中设置并联的若干对减速齿轮，其传动比i
不相同，而且任何一对齿轮都可以在驾驶员操纵下加人或退出传动。
在汽车行驶过程中，驾驶员可根据需要选用其中一对齿轮与主减速器串联传动，以获得不同的传动系统总传动比i=i。
;。
。
在良好道路上欲便汽车以较高速度行驶时，则可选用变速器中传动比较小的挡位，即高速挡;在艰难道路上行驶或爬越较大坡度时，则可选用变速器中传动比较大的挡位，即低速挡。
绝大多数变速器的最高挡传动比为1，即变速器不起减速作用，仅依赖于主减速器实现减速。
有些重型汽车在变速器与主减速器之间还加设一个辅助变速机构－副变速器，必要时还将主减速器也设计成两个挡位，借以增加传动系统传动比的挡位数。
（3）实现汽车倒驶汽车在某些情况下（如进入停车场或车库，在狭窄路面上调头时），需要倒向行驶。
然而，内燃机是不能反向旋转的，与内燃机共同工作的传动系统必须在发动机旋转方向不变的情况下，使驱动轮反向旋转。
一般结构措施是在变速器内加设具有中间减速齿轮副的倒挡机构。
（4）必要时中断传动系统的动力传递内燃机只能在无负荷情况下起动，而且起动后的转速必须保持在最低稳定转速之上，否则可能会熄灭。
所以，在汽车起步之前，必须将发动机到驱动轮的动力传递路线切断，以便起动发动机。
发动机进人正常怠速工况运转后，再逐渐地恢复传动系统的传动能力，亦即从零开始逐渐对发动机曲轴加载，同时加大节气门的开度，以保证发动机不致熄灭，且汽车能平稳起步。
此外，在变换传动系统传动比挡位（换挡）和对汽车进行制动之前，也都有必要暂时中断动力传递。
为此，在发动机与变速器之间可装设一个依靠摩擦来传递动力，且其主动和从动部分可在驾驶员操纵下彻底分离，随后再柔和接合的机构离合器1。
在汽车长时间停车或在发动机不停止运转情况下使汽车暂时停车，以及在汽车获得相当
高的车速后，欲停止对汽车供给动力，使之靠自身惯性进行长距离滑行时，传动系统应能长时间保持在中断动力传递状态。
为此，变速器应设有空挡，通过驾驶员操纵使各挡齿轮都能保持在脱离传动的位置。
（5）应使两侧驱动车轮具有差速作用当汽车转弯行驶时，左右两侧车轮在相同的时间
内滚过的距离是不同的，如果两侧驱动轮用一根刚性轴驱动，则两者角速度必然相同，因而在汽车转弯时必然产生车轮相对于地面的滑动现象。
这将使转向困难，汽车的动力消耗增加，传动系统内某些零件和轮胎加速磨损。
所以，驱动桥4内装有差速器5，便左右两驱动轮可以以不同的角速度旋转。
动力由主减速器先传到差速器，再由差速器分配给左右两半轴6，最后传到两侧的驱动轮。
此外，由于发动机、离合器和变速器固定在车架上，而驱动桥和驱动轮一般是通过弹性悬架与车架相联系的，因此在汽车行驶过程中，变速器与驱动轮之间经常有相对运动。
在此情况下，两者之间不能用简单的整体传动轴来传动，而应采用如图13-1所示的由万向节3和传动轴8组成的万向传动装置。
根据汽车传动系统中传动元件的特征，传动系统可分为机械式、液力式和电力式等类型。
二、机械式传动系统的布且方案
机械式传动系统的布置方案与汽车的总体布置方案是相适应的，可分为以下几种。
1·发动机前置后轮驱动的FR方案
图13-1所示的机械式传动系统是4x2型汽车的传统总体布置方案，即发动机前置后轮
驱动的FR方案，主要应用在载货汽车上，在部分轿车和客车上也有应用。
该方案的优点是维修发动机方便，离合器、变速器的操纵机构简单，货箱地板高度低，前、后轮的轴荷分配比较合理。
其缺点是需要一根较长的传动轴，这不仅增加了整车质量，而且影响了传动系统的效率。
2·发动机前置前轮驱动的FF方案
FF方案是将发动机1、离合器2、变速器3与主减速器5、差速器6等都装配在一起，成为一个十分紧凑的整体，固定在汽车前面的车架或车身底架上，前轮为驱动轮，因此，在变速器和驱动桥之间省去了万向节和传动轴，如图13-2所示。
发动机在车上的布置可以横置，也可以纵置。
在发动机横向布置时，将发动机的曲轴轴线布置成垂直于车身轴线，此时，变速器轴线与驱动桥轴线平行，主减速器可以采用结构、加工都较简单的圆柱斜齿轮副;在发动机纵向布置时，将发动机的曲轴轴线布置成平行于车身轴线，主减速器则大多采用主、从动齿轮轴线垂直的准双曲面或曲线齿锥齿轮副。
FF方案省去了FR方案中变速器和驱动桥之间的万向节和传动轴，便车身底板高度可以降低，有助于提高汽车的乘坐舒适性和高速行驶时的操纵稳定性;整个传动系统集中在汽车前部，因而其操纵机构比较简单。
这种布置方案目前已广泛应用于微型和中型轿车上，在中高级和高级轿车上的应用也日渐增多。
但由于前轮既是驱动轮，又是转向轮，需要使用等速万向节7，使结构较为复杂;且前轮的轮胎寿命较短;汽车的爬坡能力相对较差。
3·发动机后置后轮驱动的RR方案
RR方案是将发动机1、离合器2和变速器3都横向布置于驱动桥6之后，驱动桥采用
非独立悬架，如图13-3所示。
由于驱动桥与
变速器之间距离较大，其相对位置经常变化，
所以有必要设置角传动装置4和万向传动装
置5。
大、中型客车广泛采用这种布置方案，
使其前、后轴更容易获得合理的轴荷分配;并
具有车内噪声低，空间利用率高，行李箱体积
大等优点。
但是，在此情况下，发动机的冷却
条件较差，发动机和离合器、变速器的操纵机
构都较复杂。
少数轿车和微型汽车也有采用
这种方案的。
4·发动机中置后轮驱动的MR方案
MR方案是将发动机布置于驾驶室后面的汽车的中部，后轮驱动，如图13马所示。
该布置方案有利于实现前、后轴较为理想的轴荷分配，是赛车和部分大、中型客车采用的方案。
客车采用这种方案布置时，能得到车厢有效面积的最高利用。
5·全轮驱动的nWD方案
nWD是英文nWheelDrive的缩写，"是指与车轮总数相等的驱动轮数，表示传动系统是全轮驱动方案，它起源于很早以前的军用车。
对于要求能在坏路面或无路地带行驶的越野车，为了充分利用所有车轮与地面之间的附着条件，以获得尽可能大的驱动力，提高其通过性，总是将全部车轮都作为驱动轮。
这时在变速器后要设置分动器，将动力分配给各驱动轮。
对于三桥和四桥驱动的越野汽车，如采用贯通式驱动桥替代非贯通式驱动桥，可简化结构布置，减少零件数，提高零件的通用性，如图13-5所示。
四桥驱动的越野汽车也可采用侧边式及混合式的布置，如图13-6所示。
有些轿车为了在提高整车牵引性和通过性的同时，改善汽车的行驶稳定性、制动性和转向特性，也采用全轮驱动约方案，如图13-7所示为德国宝马4WD轿车的传动系统布置图。
从图中可以看出，前桥1和后桥8都是驱动桥。
为了将变速器3输出的动力分配给前、后两驱动桥，在变速器与两驱动桥之间设置有分动器5，并且相应增设了自分动器通向前驱动桥的前传动轴4。
这种驱动形式称为短时四轮驱动，它的特点是根据行驶需要驾驶员可通过拨叉或开关操纵分动器，使前桥接通或断开，实现四轮驱动和两轮驱动的切换。
还有一种驱动形式称为常时四轮驱动，它的特点是用锥齿轮式中间差速器或粘性联轴器式中间差速器代替短时四轮驱动方案中的分动器，实现四个车轮始终都具有驱动力，并同时吸收前后车轮的转速差。
为了防止四个车轮中有一个车轮发生空转而导致汽车不能正常行驶，可采取将中间差速器锁死或限制中间差速器差动等方法。
三、液力式传动系统的布置方案
液力式传动系统可分为动液式和静液式传动系统，前者是以液体为传动介质，利用液体在主动元件和从动元件之间循环流动过程中动能的变化来传递或变换能量;后者是以液体传动介质压能的变化来传递或变换能量。
1·动液式传动系统
动液式传动系统的特点是组合运用液力传动和机械传动。
液力箱合器和液力变矩器是动
液传动的基本装置。
液力耦合器只能传递转矩，而不能改变转矩的大小，可以代替离合器的部分功能，即保证汽车平稳地起步和加速，但不能保证在换挡时变速器中的齿轮不受冲击。
液力变矩器可以实现元级变速及具有增大和变换转矩的能力;其良好的自动适应性使操纵大为方便，使车辆在坏路面上的通过性得到改善;与发动机合理匹配后能充分发挥发动机的性能，并有利于减少排气污染;使发动机与驱动车轮之间柔性连接，可避免传动系统的扭转振动和冲击，提高零部件的使用寿命，改善乘坐舒适性。
但是，液力变矩器的输出转矩与输人转矩的比值变化范围还不足以满足使用要求，故一般要在其后串联一个有级式机械变速器而组成液力机械变速器（详见第十六章），以取代机械式传动系统申的离合器和变速器。
液力机械传动系统其他的组成部件及其布置方案均与机械式传动系统相同。
液力机械式传动系统能根据道路阻力的变化，自动地在若干个车速范围内分别实现无级
变速，而且其中的有级式机械变速器还可以实现自动或半自动操纵，因而可使驾驶员的操纵大为简化。
但是，由于其结构较复杂、造价较高、机械效率较低等缺点，因此，目前除了中、高级轿车和部分重型货车外，中级以下的轿车和一般货车采用较少。
2·静液式传动系统
静液式传动系统又称为容积式液压传动系统。
如图13-8所示为具有液压驱动桥的静液式传动系统，主要由液压马达2、液压自动控制装置6和由发动机驱动的液压泵7等组成。
液压泵受发动机驱动使工作油升压，压力油经管路到各种控制元件及液压马达，后者再将工作油压转变为转矩，将动力传给驱动桥的主减速器，再经差速器和半轴传到驱动轮。
在图示的方案中，只用一个液压马达驱动汽车的驱动桥，使汽车行驶。
驾驶员通过变速操纵杆5操纵液压自动控制装置6，以控制液压泵7输出的压力油的流量。
汽车起步前起动发动机时，可以使液压泵处于空转，即流量为零的状态，这相当于机械变速器的空挡。
由于汽车起步时所受阻力最大，故应将液压泵流量控制在最小值，从而在系统中建立最大的液压，以使液压马达的输出转矩和驱动轮上的驱动力最大。
起步后，行驶阻力减小，故可逐渐加大液压泵流量，使系统中的液压和液压马达转矩逐渐减小，同时液压马达和驱动轮转速逐渐升高，从而实现汽车加速。
液压变化是渐进的，因而这种传动系统可以花不中断传动的情况下实现无级变速。
液压泵和液压马达一般采用轴向柱塞式，液压泵可在输入轴旋转方向不变的情况下，改变压力油在系统中的流动方向，从而改变液压马达的旋转方向，借以实现汽车倒向
行驶。
另一种方案是每一个驱动轮上都设置一个液压马达，如图13-9所示。
此时，主减速器、差速器和半轴等机械传动部件都可取消。
静液式传动系统可使汽车平稳地进行自动无级变速，并具有非常理想的特性;传动零件也大为减少，使布
置方便并可提高离地间隙和通过性液压系统可用于动力制动，使制动操作轻便。
但它存在机械效率低，造价高，使用寿命和可靠性不够理想等缺点，故除了在某些军用车辆上采用外，如何克服这些缺点使之能在一般汽车上推广应用的问题，还有待于进一步研究。
四、电力式传动系统的布置方案
电力式传动系统是很早采用的一种无级传动装置，其组成和布置与静液式传动系统有些类似，如图13-10所示。
它是由汽车发动机1带动发电机2发电，将发出的电能送到电动机。
可以只用一个电动机与传动轴或驱动桥连接;也可以在每个驱动轮上单独安装一个电动机。
在后一种情况下，电动机输出的动力必须通过减速机构传输到驱动轮上，因为装在车轮内部的牵引电动机的转矩还不够大，转速则显过高。
这种直接与车轮相连的减速机构称为减速
器。
内部装有牵引电动机和轮边减速器的驱动轮称为电动轮5。
图13-11所示为另一种被混合动力汽车所广泛采用的电力式传动系统。
电力式传动系统的优点是从发动机到驱动轮只由电器连接，可使汽车的总体布置简化、灵活;起动及变速平稳，冲击小，有利于延长车辆的使用寿命;具有无级变速特性，有助于提高汽车的平均车速;将电动机改为发电机用作制动可提高行驶安全性;操纵简化等。
但是电力式传动系统也有质量大，效率低，消耗较多的有色金属—铜等缺点。
电力式传动系统根据装用的发电机和牵引电动机的形式，可以分为以下几种:
（1）直流发电机—直流电动机系统（直一直系统）在直一直电力式传动系统中，采用的是直流发电机和直流牵引电动机。
这种系统的优点是发电机发出的电能可以不通过任何装置的转换，而直接送到牵引电动机，因此系统的结构简单。
其缺点是百流电动机的体积大，质量大，成本高，转速低等。
（2）交流发电机一百流电动机系统（交一直系统）为了避免直流发电机在结构上所固有
的缺点，在多数电动汽车上来用了交一直电力式传动系统。
采用交流发电机后，可以达到提高转速，缩小体积，运行可靠和维修简便等效果，从而更适用于汽车。
该系统的发电机为三相交流发电机，经过大功率的硅整流器整流后，把直流电输送给直流牵引电动机。
目前，国内外生产的大吨位矿用汽车的电力式传动系统，绝大多数属于这种结构。
（3）交流发电机—直流变频一交流电动机系统（交一直一交系统）交流发电机输土的电
能经过整流及变频装置以后，又输送给交流电动机，这称之为交一直—交电力式传动系统。
即交流发电机发出的三相交流电，经过硅整流器整流成直流电以后，直流电再通过晶闸管逆变器，把直流电变成预定可变频率的三相交流电，以供给各个交流牵引电动机使用。
逆变后的三相交流电的频率，根据需要是可控制的。
例如，可对交流牵引电动机进行调频和调速。
交流牵引电动机（特别是笼型电动机）与直流电动机相比，由于没有换向器，结构简单，外形尺寸小，所以可以设计和制造出功率较大、转速较高的电动机。
这种电动机运行可靠，维护方便。
（4）交流发电机一交流电动机系统（交一交系统）该系统没有直流环节，是直接的交流
电传动系统。
汽车发动机驱动一台同步交流发电机，交流发电机的输出输送给变频器，变频器向交流牵引电动机输送频率可控的交流电。
在交一交系统中，对变频技术和电动机的结构都有较高的要求，因此目前尚未得到广泛应用。
思考题
13-1汽车传动系统的基本功用是什么?
13-2汽车传动系统有哪儿种类型?
各有什么特点7
13-3越野汽车4x4传动系统与普通汽车4x2传动系统相比，在结构上有哪些不同?
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