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1、第11章 汽车设计11.1传动比的选择变速器与车辆的匹配 知道变速器传动比的选择常常受到传动比是否可得到和已经在生产的制约是很重要的。出现这种情况的原因是在设计新的齿轮传动装置、为制造新部件而安装和调试设备方面都需要很大的资金投入。然而，在某些情况下，必须做出改动。这些情况包括更换发动机，如从汽油机改换为柴油机，或者是准备安装变速器的车辆其重量出现大幅度变化。显然，车辆制造商内部可用资金与相关批量将在这个决策中起着决定性的作用。在允许变动的情况下，也只限于一两个传动比，中间传动比不再改变，因而不用进行优化。最后，在考察怎样选择“理想”传动比之前，还有一个传动比选择的限制因素就是齿轮设计本身。以
2、一挡齿轮组为例，主动齿轮的最小极限尺寸为多大，才能经受齿轮箱内可能出现的冲击载荷。当确定一台特定的齿轮箱应该匹配什么样的传动比时，需要作出许多决策。对于手动变速器、自动变速器和机械式无级变速器而言，具有一个类似的过程。由于变矩器和（或）换挡程序图的作用，自动变速器和CVT具有更大的灵活性。除了传动比之外，这些都将影响到工作区内的任何工作点处的实际总传动比。必须考虑的因素有：车辆性能要求；车辆重量、滚动阻力和其他参数；变速器设计中的其他限制因素。如果必须改变箱体，在车辆内的和对发动机附件的封装限制；可用性如上面所讨论的。车辆的性能只不过就是最高车速和加速度。1.最低挡传动比的选择1挡这个传动比将
3、决定着车辆的起步性能，其大小取决于：要求的爬坡度最坏情况；车辆的总重量（满载）；需要的任何挂车的重量；发动机低速特性即，对于增压发动机而言，有效进气“增压”的最低发动机转速。2.最高挡传动比的选择乘用车一般为五挡发动机特性；巡航车速的经济性要求；挡位性能在超车中驾驶员期望换挡吗？最高挡或次高挡（通常为4挡）能够获得的最高车速最高挡为超速挡吗？通常，将几个中间挡间隔开，以便在两个极端传动比中间提供均匀舒适的分布。从理论上讲，传动比的选择常常在各挡之间提供一个恒定的车速增量或者是变化的车速增量（见图11-1）。通过利用恒定的速度增量，每当驾驶员升挡时，通过不变的转速变化量使发动机转速降低。例如，如
4、果每当发动机达到譬如说3000r/min时，驾驶员就升挡并加速，那么，在每次升挡之后，发动机转速相同。在可变转速增量的情况下，情况就不是这样，通常情况下，随着换入更高的挡位，每次换挡时的发动机转速的变动会逐渐变小。下面的图就说明这一点。图中升挡点不变，当然，实际上显然不必如此。特定车辆对所选择的变速器的要求或限制可能会改变这种传动比间隔状况，其中的主要原因是：复杂性要求现有的传动比组合会限制在新车上的传动比选择机会，特别是对于较小生产批量的汽车；挡位加速性要求在某些车速下具有特别的特性要求，例如，不用过多的换挡来获得060mph(英里/小时)/100kph(千米/小时)的加速时间；变速器壳体对
5、齿轮尺寸的限制；排放和燃油经济性要求，即在法定的驾驶循环期间的发动机状况。在特定的发动机转速或传动轴转速时的品质问题。图11-1 逐渐改变传动比时的发动机转速与车速的关系实际上，所有的这些因素都将影响到传动比的选择，并可能导致对某一给定的车辆，在计算的“理想”传动比组合与现有车辆可以使用的传动比组合之间进行折衷。3.变速器与车辆匹配中应考虑的问题（举例）在这个例子中，我们将探讨为一辆道路车辆（本例中为一辆44车辆）设计一台变速器时需要考虑的某些因素。首先来考虑一下图11-2中该44车辆的滚动阻力。设轮胎的滚动半径为0.375m,因此可以计算出一定范围内的任何车速下在车轮处所需要的转矩。再考虑一
6、下图11-3（这是一台大型汽油机的油耗图。为了反应最大转矩，可以经过等燃油流量曲线顶部绘出一条线。假设汽车变速器的某些参数为：主减速器传动比为4.2，五挡传动比为0.75，四挡为1.0，三挡为1.4。绘制120km/h（高速公路）的发动机工况，并假设变速器系统损失为5%，从而将不同挡位下的发动机工况展示在图上。这个车速所要求的牵引力是1100N，这就等同于在车轮处需要413Nm（总）的转矩。从理论上讲，在我们的44例子中每个车轮处的名义转矩为103Nm。我们还可以计算出在这个车速下，车轮、变速器和发动机的转速。前面的滚动半径就意味着车轮每滚动424转，汽车就会行驶1km。这就意味着车速为120
7、km/h时的车轮转速为848r/min。根据这些数字，就可以计算出给出对应于各个挡位在120km/h时的发动机转矩和转速。在各个挡位时的发动机工作点表明，随着车辆换入4挡和5挡，发动机转速下降，转矩增加，而指示燃油质量流量减小。正如我们所期望的，在高挡比在低挡时更省油。如果我们加一个传动比为0.6，甚至为0.5的“超速挡”6挡，会发生什么呢？图中曲线还表明，如果将一个超速挡传动比加给变速箱，曲线的走势将会继续下去。结果表明，如果这样做太过了，所用的燃料就不一定继续下降。随着转速降低和要求的转矩增加，发动机的工作条件会导致发动机反应迟缓，需要加大节气门开度，并且由于发动机高负荷，排放甚至更高。图
8、11-2 滚动阻力与车速（水平道路）的关系图11-3 大型汽油机的燃油流量（质量）图（还展示了一些列的挡位的发动机工况）我们现在考虑动力装置所提供的牵引力怎样经过每个挡位后发生了变化。通过考虑各个不同的传动比，对路面所提供的牵引力与道路阻力（滚动阻力）进行了比较。在图11-4中，添加了图11-2的原始曲线（再次考虑44汽车）。还允许让要求的力爬上各种坡度的坡道。因此，对于不同的坡度也添加了滚动阻力曲线。图11-4 牵引力、滚动阻力与车速的关系假如上面提到的基本信息均已知或可以计算出来，对任何车辆/变速器/发动机组合，这样的曲线图均能很容易地画出。所提供的这些信息是不同的并且是有用的，例如：可以
9、看到不同工况和不同挡位的最高车速。在本例中，我们期望在4挡时比5挡更快，因为对水平地面的情况，与4挡相比，5挡时的牵引力曲线与可用力曲线在更低的车速时（并且在4档时，可在离开可用发动机转速之前）相交。可以估计汽车在任何一个挡位能够通过的最大道路坡度。这里假定在3挡刚好能通过的最大坡度为1:5（并且此时的最高车车速月尾80km/h）。这里，可用牵引力曲线刚刚高于要求的牵引力，两条曲线极为接近，这说明没有多少来自发动机的多余可用转矩。这样，假如汽车在一个1:10坡度的坡道上，用4挡、以40km/h的车速爬坡，从图可见，预计可以加速到将近120km/h。然而，两条线相当接近，表明没有多少使汽车加速或
10、者是发动机加速的可用转矩。甚至，我们估计车辆反应相当迟缓。应该注意，在低挡时，图中曲线表明，车辆可以爬很陡的坡。实际上，因为离合器的能力和难以获得适当的发动机工况，像这些坡度车辆不可能从静止起步。对于两轮驱动汽车，轮胎的附着能力也是一个限制因素。实际上，即使在我们正在考虑的44汽车上，在坡度大于1:3时，可能会需要在分动器中设置低速的传动比。11.2 制动系统设计方法论 制动系统的主要的功能必须总是得到满足。在系统发生故障的情况下，尽管效能下降，但是，同样的功能也必须得到执行。因此，典型的乘用车制动系统包括用于正常制动的行车制动器和万一行车制动器失效是所用的第二套即应急制动器和驻车制动器。目前
11、的习惯做法是行车制动部件允许用作第二套或驻车制动系统。尽管结构细节有差异，但所有的制动系统都可以分为下列几个子系统。（1）供能系统这个系统包括产生、存储或释放制动系统所需能量的所有部件。对于普通的乘用车，驾驶员以及真空助力系统给制动踏板作用力，这些就是供能系统。在真空助力失效时，驾驶员仍然可以仅仅通过人力来操纵制动器。替代的供能系统有动力制动系统、浪涌制动器、落重制动器、电动和弹簧制动器。（2）调节装置该装置包括制动系统中用于控制加给每个制动器的制动力的大小的那些元件。该系统包括驾驶员、限压/调压阀以及如果装有的话还包括防抱死制动系统（ABS）。（3）制动传动装置将能量传递给车轮制动器的部件构
12、成了制动传动装置。在液压制动系统和气压制动系统中使用了制动管路（硬管和软管）。机械式制动器使用各种杆件、凸轮和拉索来传递能量。一辆汽车的驻车制动器常常使用机械传动装置。（4）基础制动器这些制动器产生与汽车运动方向相反的作用力，并在此过程中将汽车纵向运动的动能转变成热能。制动系统设计分成四个主要阶段：第一阶段（大概也是最基础的阶段）是对汽车的车桥之间的制动力分布进行选择。制动力分布基本上是车辆尺寸及其重量分布的函数。第二阶段是传动装置设计阶段，本阶段包括主缸和前、后轮缸尺寸的确定，还要对另外一些部件（如对每个车轮的液压力进行调节的专用阀）进行实际考虑。基础制动器成了第三阶段的焦点，它不仅要对所加
13、力和力矩做出反应，还必须具有适当的耐热性、耐磨性和低噪声特性。最后一个阶段要将制动踏板总成和真空助力系统加入到制动系统中。为了完成这项设计任务，设计师需要搜集一些车辆的基本参数，这些参数包括：车辆空载与满载质量；空载与满载时的静态重量分布；轴距；空载与满载时的重心高度；最高车速；轮胎与轮辋规格；车辆功用；制动标准。认识到这一点很重要：前面进行的各个阶段均密切相关，而最终设计将经过许多反复才能实现。因此，必须对任何一个正式的方案进行精心设计，以致于不会因为在部件层面进行设计变更而损害整个系统质量。通过一个例子来说明：封装空间的减小会导致不得不在车上安装直径更小的车轮制动器。如果不加校正（譬如说改
14、变轮缸尺寸），这将导致制动力分布的变化，并且在最坏的情况下，这会导致车轮早期抱死和违背相关控制法规。11.3 起动系统设计 11.3.1发动机起动要求为了使内燃机起动并连续运转，必须具备下列条件：（1）可燃混合气。（2）压缩冲程。（3）某种形式的点火。（4）最低起动转速（约100r/min）。为了实现前3个条件，必须达到最低起动转速，这就需要借助于起动机。影响起动机达到最低起动转速的因素如下：（1）起动系统的额定电压。（2）能够起动发动机的最低温度，称为极限起动温度。（3）发动机运转阻力，即在极限起动温度下转动发动机所需要的转矩（包括静止惯性力矩）。（4）蓄电池的特性。（5）蓄电池与起动机之间
15、的电压降。（6）起动机与飞轮齿圈之间的传动比。（7）起动机的特性。（8）发动机在极限起动温度下的最低起动转速。在汽车电气系统中，不能把起动系统看成一个孤立的部分，它与其它系统密切相关，尤其是蓄电池最为重要。另一个与发动机起动要求有关的特别重要的因素是极限起动温度。如图11-5所示，随着温度的下降，起动机的转矩也下降，而达到发动机最低起动转速所需要的转矩增大。轿车的极限起动温度通常为1825，货车和公共汽车的极限起动温度通常为1520。通常起动机制造厂提供的数据是在+20和20。图11-5 起动机转矩与发动机起动转矩11.3.2起动系统设计任何汽车的起动系统除满足上述的8项要求以外，还应满足以下几点：（1）使用寿命长，勿需维护。（2）可随时工作。（3）工作可靠，能经受起动应力、振动、腐蚀和温度变化的影响。（4）结构紧凑，重量轻。图11-6所示为起动系统的布置图，为特定的发动机确定最低起动转速非常重要，这一转速因发动机的设计和型号的不同而异。表11-1列出了各种发动机在20时的最低起动转速。图11-6 起动系统总体布置1- 蓄电池 2-起动开关 3-起
