從書上的幾張圖解讀變速器對于內燃機驅動車輛的作用

一張清晰的圖能說明的東西勝過千言萬語,一張優(yōu)秀的圖可以將各種量之間的變化、趨勢、相對關系、累積、聯(lián)立解等各種意義直觀地表現(xiàn)出來。

P1可以說明內燃機不同的油門開度下產生的扭矩:無論是最大扭矩還是最大功率,這些參數都僅僅能代表發(fā)動機工作在某一狀況下的極限值,而研究發(fā)動機在不同狀況下的表現(xiàn)對于駕駛的意義顯然更為重要,不能以一個最大值去反映動力系統(tǒng)的整體表現(xiàn)

P2是不同轉速&扭矩輸出下內燃機的效率曲線:圖中的反比例曲線則是等功率線(功率正比于扭矩與轉速的乘積)而在平直路面上穩(wěn)定行駛過程中的所需功率主要取決于速度、路面狀況等
假如我們能根據目標行駛狀況找到所需的功率,再找到這個功率對應的等線與最低比油耗曲線的交點,就能找到在這一行駛狀況下最合適的發(fā)動機轉速(與扭矩)


P3和P4說明了變速器存在的意義,也就是調整內燃機的工況,即以最佳的轉速與扭矩關系來輸出某一功率(假如內燃機作動力的車輛上只有一個固定傳動比,那么可能在起步和低速行駛時,內燃機轉速過低,并導致發(fā)動機上的扭矩過大,而輸出的扭矩不足;或者可能讓車輛最高速度受限于內燃機的最大轉速,而扭矩還有剩余,變速器設置多個傳動比正是用來避免這些情況的)
P4也說明了內燃機車輛的效率特性,以及為什么要選擇合適擋位才能使油耗最低;此外也并不是內燃機車輛高速效率特性就一定好于電動車輛,電動機的效率在整個工作區(qū)間都相當高,而內燃機在中低轉速高扭矩的情況下,效率才能做到比較高的程度,導致油車在低速下效率太低(此時使用低檔位,發(fā)動機輸出扭矩不大,不能使發(fā)動機工作在效率最高的區(qū)間);電車高速續(xù)航下降的原因是,雖然電驅動系統(tǒng)在整個工作區(qū)間都有很高的效率,但是電池容量現(xiàn)階段還是個大問題,低速下省電并不是因為電機在低速下效率就高于高速下的,而是因為低速運行時本身能耗就很低+效率很高,高速下電機效率甚至更高,但是高速運行本身就有更高的能耗需求,所以高速運行時單位里程所需要的能量是更多的,此外大功率放電對于電池而言也降低了其放電效率,相比起內燃機車輛低速下所需能耗低但發(fā)動機效率極其低導致燃料消耗高,會讓人想當然覺得是電機高速效率低,實際并不如此

電動機的特性其實是相當優(yōu)秀的,在整個工作區(qū)間內都能達到比較高的效率,而不同轉速下的扭矩上限基本上也分為恒扭矩和恒功率這兩個區(qū)域,可見在最大功率和最大扭矩范圍內,扭矩要多少就可以有多少

P5說明了擋位、轉速與車速的關系:升擋松油降擋補油正是為了滿足擋位之間轉速與車速的匹配關系(同樣的速度下,擋位越高,發(fā)動機轉速越低)


P6~7則說明了車輛不同擋位的特性:對于相當多常見的車而言,最高擋位只是讓正常巡航狀態(tài)下有相對低的轉速,而最高擋位并不能跑出最高速度:因為發(fā)動機扭矩已經不足以支持車輛繼續(xù)提速了。反而是次一或者次二高擋位可以讓發(fā)動機以更低的扭矩輸出來提供更大的牽引力,可以讓車輛達到最大速度。而對于部分車輛(尤其是柴油機驅動的車輛),即使是在最高擋位下,發(fā)動機仍然有充足的扭矩余量,但是受限于傳動比的限制,發(fā)動機轉速已經拉到最高了,導致無法繼續(xù)提速




P8、P9、P10和P11展示了各種常見的變速器結構以及常見的鎖環(huán)同步器的原理(鎖環(huán)同步器有意思的是,只要存在轉速差就會存在摩擦轉矩,在接合套與鎖環(huán)之間的接觸面上就會產生抵抗接合套繼續(xù)移動的力,從而保證轉速匹配前接合套不會觸碰到齒輪的接合齒)
同步器的作用是,在踩下離合器分離發(fā)動機與變速箱后,接合套(與空轉的軸)與待掛進的齒輪之間存在轉速差,而同步器則是讓接合套(與空轉的軸)與目標齒輪達到相同轉速后再進行接合(也有動力分離不完全的時候掛擋的情況,由于發(fā)動機仍然在帶動變速箱內部部件主動旋轉,并傳遞動力,可能會在同步器上產生較大的負擔)
圖源:《汽車變速器理論基礎、選擇、設計與應用》Harald Naunheimer等著,宋進貴、龔宗洋等譯