手动变速器技术介绍

手动变速器技术介绍

传输类型概述

我们可以定义两种主要的变速器类型,手动变速器(MT)和自动变速器(AT)。自动变速器类型然后分为 4 个子组:

  • 经典 AT,带有周转轮系(换档时不会失去牵引力)
  • 无级变速器 (CVT),带锥形皮带轮和推式皮带(最低和最高传动比之间的无限传动比)
  • 自动手动变速箱 (AMT)。它是一种手动变速器,带有用于离合器释放和换档(换档过程中失去牵引力)的自动执行器
  • 双离合变速器(DCT 或 DSG),带 2 个离合器,可进行档位预选(换档期间几乎没有牵引力损失)

变速箱布局有两种:

  • FF(前置发动机,前轮驱动)
  • FR/FR(前置发动机,后轮驱动)

我们可以注意到,所有这些类型和布局都允许四轮驱动适应。

变速器市场份额

考虑到所有类型的传输,我们可以说传输量的趋势与车辆量的趋势相同。下图显示了多年来的全球销量趋势,包括到 2015 年的预期。西欧的传播分裂由于汽车行业的第一次危机,2008 年左右出现了大幅下降。然而,从 2010 年开始,由于巴西、俄罗斯、印度和中国(金砖四国)的高汽车产量,这一趋势要高得多。



2009 年,乘用车变速器世界市场估计约为 6000 万台,AT 和 MT 之间平均分配。金砖国家市场最大,为 1900 万台,其次是欧洲(1600 万台)、北美(1200 万台)和日本,为 500 万台。

AT 和 MT 在这些地区之间的差异也很大,主要是出于历史和文化原因:

  • 欧洲:77% MT / 23% AT
  • 北美:9% MT / 91% AT
  • 日本:18% MT / 82% AT
  • 金砖国家:83% MT / 17% AT

然而,在一些地区,这种分裂正在发生变化,主要是由于生态环境。例如,下图比较了西欧 2009 年的拆分和 2015 年的预期拆分:

雷诺PK4手动变速箱

可以说,MT的部分正在减少,对DCT有利。这可以通过DCT技术今天已经成熟并且与MT相比可以带来一些燃料节省的事实来解释。

主要的 MT 厂商可以分为两大类,基于历史市场的历史厂商和新兴市场出现的新来者。

在欧洲,汽车制造商过去常常制造自己的手动变速器,即使像 ZF 或 Getrag 这样的供应商越来越多地出现在市场上。日本的情况相同,丰田、本田或日产制造 MT,但也有爱信或加特可作为供应商。在金砖四国中,新来者是塔塔、比亚迪、一汽、青山或威亚。

传输设备的定义和功能

无论是 MT 还是 AT,变速箱都是一种动力传递装置。它允许车辆起飞,根据驾驶员的需求将发动机动力沿正向和反向传递给驱动轮,并在左右之间实现扭矩和转速的适当分配驱动轮。

为了执行这些功能,设备由以下部分组成:

  • 耦合/分离装置(例如离合器或转换器)
  • 一系列减速比(例如齿轮或滑轮)
  • 允许改变比率的设备(例如同步器、液压执行器……)
  • 一种配电装置(差速器)
  • 与车轮的连接尊重其自由度(关节和驱动轴)
  • 与驱动器连接的设备(旋钮、垫子……)

传动装置示例如下(此处为雷诺 PK4 手动变速箱):

现在让我们关注手动变速器的功能要求。

手动变速器功能请求

功能请求分为5个区域:

  • 油耗和驾驶性能
  • 车辆装配和布局
  • 声学
  • 换档质量
  • 可靠性

本文仅涉及油耗和驾驶性能。然而,其他主题将在即将发表的专门文章中讨论。

油耗和驾驶性能

车辆一般都配备 内燃机 在有限的转速范围内提供最大扭矩或功率。因此,在发动机和车轮之间只有一个减速比的情况下,驾驶员将在有限的车速范围内达到发动机的极限。此外,需要在很宽的车速范围内达到最大发动机输出:

  • 低速:起飞、爬山
  • 高速:高速公路
  • 中速:超车、爬坡

然后有必要在发动机和驱动轮之间插入一个变速器,该变速器提供各种减速比和扭矩。由于变速箱内的​​适当分级齿轮,这种速度变化允许合理使用发动机。

根据车辆和发动机规格设计减速比的方法将很快在文章中提供设计手动变速器齿轮比的方法.

评估传动比设计的标准是:

  • 稳定速度下的油耗(90 公里/小时、120 公里/小时和 150 公里/小时)
  • 油耗开启驾驶周期(NEDC,客户周期,……)
  • 性能指数(雷诺标准考虑了车辆质量、发动机最大功率和扭矩、S.Cx 和 1000 rpm 时 2 个最高比率的车速)
  • 表演:
    • 起飞能力和驾驶性能
    • 起飞加速度(0 至 100 km/h、0 至 400 m 或 0 至 1000 m)
    • 最终比率的最大速度
    • 中档加速(3 日 30 至 60 公里/小时,4 日 80 至 120 公里/小时,5 日或 6 日)

在选择一档传动比时,需要考虑起飞能力,包括牵引条件。 1 档传动比的经典值是从 18 到 12,这意味着车辆在 1000 rpm 时的速度大约在 6.5 到 10 公里/小时之间。

为了设计最终传动比,考虑了循环的最大速度、燃料消耗和排放。最终传动比的经典值是从 3 到 2.2,即在 1000 rpm 时在 40 到 55 km/h 之间。

对于中间比率的选择,工程师会考虑驾驶性能和中档加速度,以及循环油耗。

When all the gear ratios are chosen, the ratio range indicator is computed as the 1st gear ratio divided by the final gear ratio.该指标表示手动变速器的设计类型。经典值一般在 4(性能设计)到 7(燃油经济性设计)之间。下表显示了雷诺 PK4 变速箱的齿轮比值示例:除了比率设计之外,还有两个因素会影响车辆的油耗、变速箱质量及其效率。关于质量,它或多或少与变速箱可以传递的扭矩成正比。据说关系约为1 kg / 10 Nm。变速箱的效率取决于齿轮和轴承摩擦、搅动损失造成的损失……对这些损失的评估允许计算由于 MT 导致的车辆燃料消耗。

下图显示了变速箱的阻力扭矩与扭矩容量(在 5 档,转速为 2000 rpm,扭矩为 30 Nm,50°C):可以说,拖曳扭矩随着扭矩容量成比例地增加。以目前的MT,因MT损失造成的油耗部分在3%~5%之间,效率在85%~90%之间。作为比较,经典的 AT 最多可占总油耗的 20%。

结论

手动变速箱技术自 18 世纪以来就为人所知,现在已为汽车制造商所掌握。这是保证传输功能的一种廉价而有效的方式。对于正确的设计,需要考虑几个参数,如燃油经济性、性能、声学或包装。齿轮比设计是达到所需油耗和性能的方法。事实上,一档和最后一档对于最大速度、起飞和燃油经济性都非常重要。最后,评估和降低变速箱的效率,因为它也是整个动力总成燃油效率的一个因素。