汽車各部位工作原理

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汽車各部位工作原理：動(dòng)畫示范

差速器具有三種功能：

使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力指向車輪
相當(dāng)于車輛上的最終傳動(dòng)減速器，在變速器撞擊車輪之前最后一次降低其旋轉(zhuǎn)速度
在以不同的速度旋轉(zhuǎn)期間向車輪傳輸動(dòng)力（這是將它稱為差速器的原因）

本文將介紹汽車需要差速器的原因，以及差速器的作用和缺點(diǎn)。我們還將介紹幾種防滑差速器，也稱為限滑差速器。為什么需要差速器？車輪旋轉(zhuǎn)的速度是不同的，尤其是轉(zhuǎn)彎時(shí)。在以下動(dòng)畫中可以看到轉(zhuǎn)彎時(shí)每個(gè)車輪行駛不同的距離，并且內(nèi)側(cè)車輪比外側(cè)車輪行駛的距離短。由于速度等于行駛的路程除以通過這段路程所花費(fèi)的時(shí)間，因此行進(jìn)路程較短的車輪行駛的速度就較低。同時(shí)請(qǐng)注意，前輪與后輪的行駛距離也不同。對(duì)于汽車上的非驅(qū)動(dòng)輪（后輪驅(qū)動(dòng)汽車的前輪或前輪驅(qū)動(dòng)汽車的后輪），這并不是問題。因?yàn)樵谇拜喓秃筝喼g沒有連接，所以它們獨(dú)立旋轉(zhuǎn)。但是驅(qū)動(dòng)輪被連接到一起，以便單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器可以同時(shí)使兩個(gè)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。如果汽車沒有差速器，車輪必須鎖止在一起，以便以相同的速度旋轉(zhuǎn)。這樣汽車將不便于轉(zhuǎn)彎——為了使汽車能夠轉(zhuǎn)彎，一個(gè)輪胎必須滑動(dòng)。對(duì)于現(xiàn)代輪胎和混凝土路面，輪胎需要很大的動(dòng)力才會(huì)滑動(dòng)。此動(dòng)力必須由軸從一個(gè)車輪傳輸?shù)搅硪粋€(gè)車輪，這會(huì)在軸組件上形成很大的壓力。什么是差速器？差速器是將發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩按兩個(gè)方向分開的設(shè)備，可允許每次輸出的扭矩以不同的速度旋轉(zhuǎn)。

現(xiàn)在在所有汽車或卡車上都配備差速器，一些全輪驅(qū)動(dòng)車輛上（全時(shí)四輪驅(qū)動(dòng)）也配備差速器。這些全輪驅(qū)動(dòng)車輛的每組驅(qū)動(dòng)輪之間都需要一個(gè)差速器，并且在前輪和后輪之間也需要一個(gè)，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)彎時(shí)前輪行駛的距離與后輪不同。

分時(shí)四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在前輪和后輪之間沒有差速器，相反，他們被鎖止在一起，以便前輪和后輪以相同的平均速度轉(zhuǎn)彎。這就是當(dāng)四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)嚙合時(shí)這些車輛在混凝土路面上很難轉(zhuǎn)彎的原因。以不同的速度旋轉(zhuǎn)我們將介紹最簡(jiǎn)單的差速器——開式差速器。首先，我們需要了解一些術(shù)語：下面的圖像標(biāo)示的是開式差速器的組件。

當(dāng)車輛筆直向前行駛時(shí)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪以相同的速度旋轉(zhuǎn)。輸入小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)齒圈和保護(hù)架，同時(shí)保護(hù)架內(nèi)的小齒輪均不旋轉(zhuǎn)，這樣兩側(cè)齒輪均被有效鎖定到保護(hù)架。 Geebee's Vector Animations提供動(dòng)畫注意，輸入小齒輪是小于齒圈的齒輪，它是汽車上的末級(jí)減速齒輪。您可能聽說過一些術(shù)語，如后軸比或主減速器傳動(dòng)比。這些是差速器中的齒輪比。如果主減速器傳動(dòng)比是4.10，則齒圈的齒數(shù)是輸入小齒輪齒數(shù)的4.10倍。汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，車輪必須以不同的速度旋轉(zhuǎn)。在上圖中，可以看到汽車開始轉(zhuǎn)彎時(shí)保護(hù)架上的小齒輪開始旋轉(zhuǎn)，車輪以不同的速度移動(dòng)。內(nèi)側(cè)齒輪比保護(hù)架旋轉(zhuǎn)得慢，而外側(cè)車輪比保護(hù)架旋轉(zhuǎn)得快。開式差速器——直線行駛時(shí) 開式差速器——轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)（1.1MB）

汽車中離合器的位置本文將介紹使用離合器的原因，使您了解離合器在汽車中的工作原理，并且討論一下一些可以放置離合器的有趣的甚至可能令人意想不到的位置！離合器對(duì)于帶有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)備很有用。在這些設(shè)備中，一個(gè)軸通常由電機(jī)或皮帶輪來驅(qū)動(dòng)，而另一個(gè)軸用來驅(qū)動(dòng)其他設(shè)備。例如在鉆孔機(jī)中，一個(gè)軸由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，另一個(gè)軸驅(qū)動(dòng)鉆夾頭。離合器連接了兩個(gè)軸，這樣它們可以鎖定在一起，以同樣的速度旋轉(zhuǎn)，或者分離，以不同的速度旋轉(zhuǎn)。基本離合器您需要在汽車中安裝離合器，因?yàn)?/strong>發(fā)動(dòng)機(jī)始終在旋轉(zhuǎn)，而車輪則不會(huì)。要使車輛停止而不損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，車輪需要以某種方式與發(fā)動(dòng)機(jī)斷開。離合器通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器之間的滑程，使我們可以輕松地將旋轉(zhuǎn)著的發(fā)動(dòng)機(jī)連接到?jīng)]有旋轉(zhuǎn)的變速器上。要了解離合器的工作原理，知道一點(diǎn)有關(guān)摩擦的知識(shí)是很有幫助的。在下圖中，您可以看到飛輪是連接在發(fā)動(dòng)機(jī)上的，而離合器片是連接在變速器上的。汽車離合器的展開視圖當(dāng)腳離開踏板時(shí)，彈簧會(huì)向離合器盤方向推動(dòng)壓盤，從而擠壓飛輪。這樣可將發(fā)動(dòng)機(jī)鎖定到變速器輸入軸上，使它們以相同的速度旋轉(zhuǎn)。

美國(guó)卡羅萊納州野馬供圖壓盤離合器作用力的大小取決于離合器片和飛輪之間的摩擦力以及彈簧對(duì)壓盤的壓力的大小。離合器中摩擦力的工作方式與制動(dòng)器的原理摩擦部分描述的缸體的工作方式一樣，只不過它是將彈簧壓在離合器片上，而不是依靠重力將物體壓向地面。離合器如何接合和分離踩下離合器踏板時(shí)，電纜或液壓活塞將推動(dòng)分離叉，從而向膜片彈簧的中間部位按壓分離軸承。由于膜片彈簧的中間部位被推入，彈簧外側(cè)附近的一組銷將導(dǎo)致彈簧將壓盤從離合器盤上拉開（參見下圖）。這可使離合器從旋轉(zhuǎn)著的發(fā)動(dòng)機(jī)上分離。汽車需要變速器，這是由汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的物理特性決定的。首先，任何發(fā)動(dòng)機(jī)都有速度極限，轉(zhuǎn)速超過這個(gè)最大值，發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)爆炸。其次，如果讀過馬力及其應(yīng)用，您就會(huì)知道，在馬力和扭矩都達(dá)到最大值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化范圍很小。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)可能在5,500轉(zhuǎn)/分時(shí)產(chǎn)生最大馬力。在汽車加速或者減速時(shí)，變速器的存在使發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪之間的齒比能夠發(fā)生變化。通過改變齒比，就能使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持在速度極限以下，并且使發(fā)動(dòng)機(jī)接近最佳性能轉(zhuǎn)速區(qū)。



戴姆勒克萊斯勒供圖奔馳Actros重型卡車的手動(dòng)變速器在理想情況下，變速器齒比變化范圍非常大，因而發(fā)動(dòng)機(jī)總是以單一的最佳性能轉(zhuǎn)速運(yùn)行。這就是無級(jí)變速器（CVT）的概念。 CVT的齒比范圍幾乎沒有任何限制。過去，CVT在成本、尺寸和可靠性方面都不能與四速和五速變速器抗衡，所以在量產(chǎn)汽車中看不到它們。目前，設(shè)計(jì)方面的改善使CVT得到了普及。豐田普銳斯就是使用CVT的混合動(dòng)力汽車。



變速器通過離合器與發(fā)動(dòng)機(jī)連接。因此，變速器輸入軸的轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)相同。



戴姆勒克萊斯勒供圖奔馳C級(jí)運(yùn)動(dòng)型跑車六速手動(dòng)變速器五速變速器為輸入軸提供五種不同的齒比，以便在輸出軸產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)速值。以下是一些典型的齒比：擋位速比發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分時(shí)變速器輸出軸的轉(zhuǎn)速一擋2.315:11,295二擋1.568:11,913三擋1.195:12,510四擋1.000:13,000五擋0.915:13,278有關(guān)無級(jí)變速器工作原理的更多信息，請(qǐng)參考CVT（無級(jí)變速器）工作原理。接下來讓我們看看簡(jiǎn)單的變速器。為了幫助了解標(biāo)準(zhǔn)變速器的基本原理，下圖顯示了處于空擋狀態(tài)的簡(jiǎn)單兩速變速器。



讓我們來看看圖中的每一個(gè)部件，以及它們是如何裝配的：

綠色軸將發(fā)動(dòng)機(jī)與離合器連接起來。綠色軸和綠色齒輪連在一起，形成一個(gè)整體。（離合器是用于連接發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器或斷開其間連接的裝置。踩下離合器踏板時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器斷開，此時(shí)雖然汽車并不移動(dòng)，但發(fā)動(dòng)機(jī)仍在運(yùn)轉(zhuǎn)。而松開離合器踏板時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和綠色軸就直接連在一起。綠色軸和齒輪的轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)相同。)
紅色軸及紅色齒輪稱為副軸。它們也連為一個(gè)整體，因此副軸上的所有齒輪和副軸本身作為整體旋轉(zhuǎn)。綠色軸與紅色軸直接通過各自的嚙合齒輪連接起來，所以當(dāng)綠色軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，紅色軸也會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，一旦離合器接合，副軸就直接從發(fā)動(dòng)機(jī)獲得動(dòng)力。
黃色軸是花鍵軸，通過連接到汽車驅(qū)動(dòng)輪的差速器直接與驅(qū)動(dòng)軸相連。如果車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，黃色軸也將隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。
藍(lán)色齒輪連在軸承上，因此會(huì)隨黃色軸轉(zhuǎn)動(dòng)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)已關(guān)閉，但汽車還在滑行，則在藍(lán)色齒輪和副軸停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，黃色軸仍可能在藍(lán)色齒輪內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)。
軸環(huán)將兩個(gè)藍(lán)色齒輪中的一個(gè)連接到黃色驅(qū)動(dòng)軸上。它通過齒槽直接與黃色軸相連，并與黃色軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。但軸環(huán)也可以沿著黃色軸左右滑動(dòng)，從而選擇性地接合兩個(gè)藍(lán)色齒輪中的一個(gè)。軸環(huán)中的齒稱為犬齒，可與藍(lán)色齒輪側(cè)面的孔相接合。

一擋齒輪下圖顯示了當(dāng)軸環(huán)換到一擋時(shí)如何結(jié)合右邊的藍(lán)色齒輪：



圖中，發(fā)動(dòng)機(jī)的綠色軸轉(zhuǎn)動(dòng)副軸，副軸則轉(zhuǎn)動(dòng)右邊的藍(lán)色齒輪。齒輪通過軸環(huán)驅(qū)動(dòng)黃色驅(qū)動(dòng)軸。同時(shí)，左邊的齒輪也在轉(zhuǎn)動(dòng)，但只是在其軸上空轉(zhuǎn)，對(duì)黃色軸并不產(chǎn)生影響。當(dāng)軸環(huán)位于兩個(gè)齒輪之間時(shí)（如第一圖所示），變速器為空擋狀態(tài)。黃色軸上以不同速率運(yùn)轉(zhuǎn)的兩個(gè)藍(lán)色齒輪都通過其與副軸的速比來控制。通過以上討論，您可以回答以下幾個(gè)問題：

在換擋時(shí)，如果操作錯(cuò)誤，聽到可怕的碾磨聲，這個(gè)聲音不是誤嚙合齒輪發(fā)出的。從圖中可以看出，所有輪齒總是處于完全嚙合狀態(tài)。這種碾磨聲是犬齒接合藍(lán)色齒輪側(cè)孔失敗發(fā)出的。
這里顯示的變速器沒有“同步”（在下文中討論），所以使用此變速器時(shí)，您必須雙踩離合。雙踩離合在老式汽車中很常見，而在一些現(xiàn)代賽車中也仍然很常用。在雙踩離合時(shí)，先合下離合踏板，使發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器分離。這樣可消除犬齒的壓力，從而將軸環(huán)切換至空擋狀態(tài)。然后松開離合器踏板，使發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)“正確速度”。該速度就是發(fā)動(dòng)機(jī)下一齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。這樣做的目的，在于使下一個(gè)藍(lán)色齒輪與軸環(huán)以相同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，這樣犬齒就能接合。然后再次踩下踏板并將軸環(huán)鎖定到新齒輪中。每換一個(gè)齒輪，都必須踩下和松開兩次離合器，因此稱為“雙離合”。
另外，您還可以了解換擋按鈕的微小線性位移怎樣實(shí)現(xiàn)齒輪更換。換擋按鈕移動(dòng)連接到撥叉的桿。撥叉使軸環(huán)在黃色軸上滑動(dòng)，從而與兩個(gè)齒輪中的一個(gè)接合。

現(xiàn)在我們來看看真正的變速器。下面的動(dòng)畫顯示了一個(gè)帶倒擋的四速變速器的內(nèi)部工作狀況。 Geebee's Vector Animations提供動(dòng)畫如今，五速手動(dòng)變速器在汽車上已經(jīng)相當(dāng)普遍了。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：



有三個(gè)撥叉，由換擋桿接合的三個(gè)桿控制。俯看換擋叉軸，它們?cè)诳論酢⒌箵酢⒁粨鹾投踔械那樾稳缦聢D所示：



注意，換擋桿中部有一個(gè)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)。在將旋鈕前推接合一擋齒輪時(shí)，實(shí)際上是在推動(dòng)桿和撥叉，以便將一擋齒輪拉回來。可以看到，左右移動(dòng)變速桿也是在接合不同的撥叉（從而接合不同的軸環(huán)）。將旋鈕前后移動(dòng)也就移動(dòng)了軸環(huán)，使它們接合一個(gè)齒輪。



倒擋齒輪由一個(gè)小惰輪（紫色）來操控。該圖中的藍(lán)色倒擋齒輪總是與其他所有藍(lán)色齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。因此，當(dāng)汽車前進(jìn)時(shí)，不可能將變速器切換到倒擋（因?yàn)槿X不能嚙合）。但它們會(huì)產(chǎn)生大量的噪音！同步器新式客車的手動(dòng)變速器采用同步器，這樣就不需要使用雙踩離合。同步器的作用是，在與犬齒接觸前，使軸環(huán)與齒輪發(fā)生有摩擦的接觸。這樣，在犬齒接合前，就可以使軸環(huán)和齒輪速度達(dá)到同步，如圖所示：



藍(lán)色齒輪上的錐體接合軸環(huán)中的錐形區(qū)域，錐體與軸環(huán)間的摩擦使軸環(huán)和齒輪同步。軸環(huán)的外部隨之滑動(dòng)，使犬齒接合齒輪。