发动机、变速箱基本工作原理

　　发动机、变速箱基本工作原理
　　一、基本理论
　　汽油发动机将汽油的能量转化为动能来驱动汽车，最简单的办法是通过在发动机内部燃烧汽油来获得动能。因此，汽车发动机是内燃机----燃烧在发动机内部发生。
　　有两点需注意：
　　1．内燃机也有其他种类，比如柴油机，燃气轮机，各有各的优点和缺点。
　　2．同样也有外燃机。在早期的火车和轮船上用的蒸汽机就是典型的外燃机。燃料（煤、木头、油）在发动机外部燃烧产生蒸气，然后蒸气进入发动机内部来产生动力。内燃机的效率比外燃机高不少，也比相同动力的外燃机小很多。所以，现代汽车不用蒸汽机。相比之下，内燃机比外燃机的效率高，比燃气轮机的价格便宜，比电动汽车容易添加燃料。这些优点使得大部分现代汽车都使用往复式的内燃机。
　　二、燃烧是关键
　　汽车的发动机一般都采用4冲程。（马自达的转子发动机在此不讨论，汽车画报曾做过介绍）
　　4冲程分别是：进气、压缩、燃烧、排气。完成这4个过程，发动机完成一个周期(2圈)。
　　理解4冲程
　　活塞，它由一个活塞杆和曲轴相联，过程如下
　　1．活塞在顶部开始，进气阀打开，活塞往下运动，吸入油气混合气
　　2．活塞往顶部运动来压缩油气混合气，使得爆炸更有威力。
　　3．当活塞到达顶部时，火花塞放出火花来点燃油气混合气，爆炸使得活塞再次向下运动。
　　4．活塞到达底部，排气阀打开，活塞往上运动，尾气从汽缸由排气管排出。
　　注意：内燃机最终产生的运动是转动的，活塞的直线往复运动最终由曲轴转化为转动，这样才能驱动汽车轮胎。
　　三、汽缸数
　　发动机的核心部件是汽缸，活塞在汽缸内进行往复运动，上面所描述的是单汽缸的运动过程，而实际应用中的发动机都是有多个汽缸的（4缸、6缸、8缸比较常见）。我们通常通过汽缸的排列方式对发动机分类：直列、V或水平对置（当然现在还有大众集团的W型，实际上是两个V组成）。
　　水平对置4缸
　　不同的排列方式使得发动机在顺滑性、制造费用和外型上有着各自的优点和缺点，配备在相应的汽车上。
　　四、排量
　　混合气的压缩和燃烧在燃烧室里进行，活塞往复运动，你可以看到燃烧室容积的变化，最大值和最小值的差值就是排量，用升（L）或毫升（CC）来度量。汽车的排量一般在1.5L~4.0L之间。每缸排量0.5L，4缸的排量为2.0L，如果V型排列的6汽缸，那就是V6 3.0升。一般来说，排量表示发动机动力的大小。
　　所以增加汽缸数量或增加每个汽缸燃烧室的容积可以获得更多的动力。
　　五、发动机的其他部分
　　凸轮轴控制进气阀和排气阀的开闭火花塞火花塞放出火花点燃油气混合气，使得爆炸发生。火花必须在适当的时候放出。
　　阀门进气、出气阀分别在适当的时候打开来吸入油气混合气和排出尾气。在压缩和燃烧时，这两个阀都是关闭的，来保证燃烧室的密封。
　　活塞环在气缸壁和活塞中提出密封：
　　1．防止在压缩和燃烧时油气混合气和尾气泄漏进润滑油箱。
　　2．防止润滑油进入汽缸内燃烧。
　　大多“烧机油”的汽车就是因为发动机太旧：活塞环不再密封引起的（尾气管冒青烟）
　　活塞杆连接活塞环和曲轴，使得活塞和曲轴维持各自的运动。
　　润滑油槽包围着曲轴，里面有相当数量的油.
　　动变速箱的基本工作原理
　　一、变速箱的作用
　　发动机的物理特性决定了变速箱的存在。首先，任何发动机都有其峰值转速；其次，发动机最大功率及最大扭矩在一定的转速区出现。比如，发动机最大功率出现在5500转。变速箱可以在汽车行驶过程中在发动机和车轮之间产生不同的变速比，换档可以使得发动机工作在其最佳的动力性能状态下。理想情况下，变速箱应具有灵活的变速比。无级变速箱（CVT）就具有这种特性，可以较好的发挥发动机的动力性能。
　　二、CVT
　　无级变速箱有着连续的变速比。其一直因为价格、尺寸及可靠性的关系而没有大量装备汽车。现在，改进的设计使得CVT的使用已比较普遍。
　　国产AUDI 2.8 CVT
　　变速箱通过离合器与发动机相连，这样，变速箱的输入轴就可以和发动机达到同步转速
　　奔驰C级Sport Coupe 6速手动变速箱
　　一个5档的变速箱提供5种不同的变速比，在输入轴和输出轴间产生转速差。
　　三、简单的变速箱模型
　　为了更好的理解变速箱的工作原理，下面让我们先来看一个2档变速箱的简单模型，看看各部分之间是如何配合的：
　　输入轴（绿色）通过离合器和发动机相连，轴和上面的齿轮是一个部件。
　　轴和齿轮（红色）叫做中间轴。它们一起旋转。轴（绿色）旋转通过啮合的齿轮带动中间轴的旋转，这时，中间轴就可以传输发动机的动力了。
　　轴（黄色）是一个花键轴，直接和驱动轴相连，通过差速器来驱动汽车。车轮转动会带着花键轴一起转动。
　　齿轮（蓝色）在花键轴上自由转动。在发动机停止，但车辆仍在运动中时，齿轮（蓝色）和中间轴都在静止状态，而花键轴依然随车轮转动。
　　齿轮（蓝色）和花键轴是由套筒来连接的，套筒可以随着花键轴转动，同时也可以在花键轴上左右自由滑动来啮合齿轮（蓝色）。
　　1档
　　挂进1档时，套筒就和右边的齿轮（蓝色）啮合。
　　如图所示，输入轴（绿色）带动中间轴，中间轴带动右边的齿轮（蓝色），齿轮通过套筒和花键轴相连，传递能量至驱动轴上。在这同时，左边的齿轮（蓝色）也在旋转，但由于没有和套筒啮合，所以它不对花键轴产生影响。
　　当套筒在两个齿轮中间时（第一张图所示），变速箱在空挡位置。两个齿轮都在花键轴上自由转动，速度是由中间轴上的齿轮和齿轮（蓝色）间的变速比决定的。
　　四、真正的变速箱
　　如今，5档手动变速箱应用已经很普遍了，以下是其模型。
　　换档杆通过三个连杆连接着三个换档叉，在换挡杆的中间有个旋转点，当你拨入1档时，实际上是将连杆和换档叉往反方向推
　　你左右移动换档杆时，实际上是在选择不同的换档叉（不同的套筒）；前后移动时则是选择不同的齿轮（蓝色）
　　倒档通过一个中间齿轮（紫色）来实现。如图所示，齿轮（蓝色）始终朝其他齿轮（蓝色）相反的方向转动。因此，在汽车前进的过程中，是不可能挂进倒档的，套筒上的齿和齿轮（蓝色）不能啮合，但是会产生很大的噪音。
　　同步装置
　　同步是使得套筒上的齿和齿轮（蓝色）啮合之前产生一个摩擦接触，齿轮（蓝色）上的锥形凸出刚好卡进套筒的锥形缺口，两者之间的摩擦力使得套筒和齿轮（蓝色）同步，套筒的外部滑动，和齿轮啮合。
　　汽车厂商制造变速箱时有各自的实现方式，这里介绍的是一个基本的概念！
　　变速箱发展至今，已经有手排档，自动排档的设计，其中自排变速箱更发展出无段变速系统，或手自变速系统，然而，它们都一样有共同的功能：
　　(1)传递引擎的输出动力
　　(2)能变换齿轮的组合以应付不同需求
　　现在我们来看看手排变速箱的基本构造：变速箱输入轴
　　通过离合器，变速箱输入轴跟引擎的曲轴连接在一起，它的功能就是输入引擎的动力。变速箱输出轴变速箱输出轴和汽车的传动装置直接连接在一起，把动力输出使用。排档机构这个机构就是整个变速箱功能的地方，它就是各种齿轮的地方，藉由不同的组合，实现变速箱操作的目的。
　　同步器同步器的目的是帮助变速齿轮能同步咬合，确保变速箱换档操作时的平顺。其实，变速箱是一个精密度相当高且复杂的机械，直到今天，大多数的车厂是不自己生产变速箱的，也许你不相信，但是，这些车厂都交给专门在设计变速箱的公司来生产，无论是手排、自排，还是手-自排的变速箱，都有很有名的公司在专司的，如响誉世界的德国ZF，M-Benz全车系阶采该公司的变速箱。离合器离合器就是专司动力传递的接合或分离的装置。手排变速箱所使用的是属于”磨擦片离合器”，利用磨擦片的磨擦来产生力矩，来传递动力。
　　一片磨擦片与动力输入端连接，另一片与变速箱输出端连接，当两片紧紧接合时，动力就接通了，而两片分开时，动力就切断。
　　齿轮比的意义与重要性
　　变速箱的重要动作就是更换不同的齿轮组合，我们可以拨动手排档的档位来改变齿轮的相对位子，借着不同齿轮间的咬合与连接，以达到变换“齿轮比”（简称齿比）的目的，完成我们换档的目的。
　　我们骑山地自行车时所给我们的实际经验就可以体会的到，当我们想快速起步时，我们可以把前轮换成小齿轮，后轮换成大齿轮，这时我们就可以轻易且快速地起步。随着脚踏车速度的增加，我们会发现脚再怎么用力踩，速度还是增加有限。这时候，我们可以变换后轮的齿轮由大换成小，再把前轮换成较大的齿轮，这时踏板的感觉变重了，但是不必像之前踩的这么多圈，脚踏车的速度可以更快了……
　　同样的道理，我们汽车在设计使用上时，并不是直接把引擎的输出接到传动轴上，而是接到变速箱上面，再由变速箱的输出轴接到传动轴上输出。汽车在起步时，需要先克服静摩擦力，然后再推动车身前进，这时是需要较大的扭力来帮忙的；于是低档位(一档)时，是类似脚踏车起步的“前面小齿轮，后面大齿轮”的设计，当车速越来越快时，我们不必需要这么大的扭力输出，在高速档时，变速箱将换成类似骑脚踏车时的“后面小齿轮，前面大齿轮”的设定。
　　无论是手排还是自排，都有变换齿轮组合以达成更换齿轮比的动作，而“齿轮比”我们定义成：被动齿轮的大小(半径)/驱动齿轮的大小(半径)；我们以一台派里奥1.5来举例：这台车有1070kg重，它有85hp/5500rpm与122.5nm/4500rpm的动力性能，原厂提供的齿比资料是：
　　一档(1速)是3.500；二档(2速)1.952；三档(3速)是1.323；四档(4速)是0.972；五档（5速）是0.769，而倒退档是3.643；就一档而言：3.500就是被动齿轮的大小(Out鄄put)/驱动齿轮的大小(Input)是3.500，因此，当引擎在4500rpm时有122.5nm的扭力值，此时真正推动车身上的扭力就是：122.5nm×3.5。
　　一档时高达3.5的齿轮比，原厂的用意就相当明显：起步时会很有力。在市区行驶，走走停停的，这样的设计是有助于起步冲刺；而各档位的齿轮比或档位间齿比的差异，都是影响车子的运动性能，高齿比是为了扭力，而高档(四档或五档)的低齿比就是为了高速行驶与引擎提速的发挥了。
　　此外还要考虑换档时的动力差异不致于过大。那到底要如何设定齿轮比呢?因为齿比过高，就转的慢；齿比太低又有扭力不足的可能，各档齿比又不能差异过大。
　　怎么办呢?你一定想的到：那就发展更多的档位，各档间可以调整成更缜密的齿比变化。而紧密的齿比变化就是动力衔接顺畅，拉转速换档快速的优点，因此，高性能车款都是采用多档位且紧密度良好的变速箱，如五档位的自排变速箱，或六档位甚至于七档位的手排变速箱。
　　变速箱的密齿比设置与动力输出息息相关，就拿五速手排和六速手排来说吧：
　　许多人会将密齿比与六速手排划等号，事实上，六速手排不一定采用密齿比设定，但多出一个挡位，更容易在急速与加速中找到平衡，五速的密齿比变速箱虽然可以将转速落差缩小，让动力衔接更加紧密，但却出现牺牲急速的困扰，2003年国内长春站拉力赛1.6升组比赛由于长直路段居多，所以任志国驾驶的民用变速箱的捷达轻松的战胜了密齿比急速只有140km/h的大众polo赛车。这时若多出第六个挡则可以将急速在往上推，试想在300km/h的速度范围中，分别采用5个挡位和6个挡位间隔，六挡可以取得更加紧密的齿比衔接。
　　我们以Skyline GT-R为例，Nismo在1998年以R33 GT-R为基础，打造出史上最强的Nismo 400R，售价达到1200万日元，最大马力直奔400ps，堪称日本最快和最贵的国产车，总共生产了40部。Nismo 400R的变速箱与R33 GT-R相同，皆为Getrag制FS5R30A五速手排变速箱，然而R34 GT-R于1999年1月现身，改搭载Getrag制FS6R93A六速手排变速箱。拥有两部分别搭载5MT和6MT的400R，动力输出、底盘完全相同的条件下，最适合比较变速箱的差异。
　　无论是R33GT-R的5MT或是R34GT-R的6MT的变速箱，齿比曲线都不算锦密，5MT对应的极限速度可以直上317km/h，而6MT更高达349km/h，原厂GT-R只有280ps最大马力，若是解除速限后，急速约在270km/h的水平，五挡与六挡的作用未完全发挥；而Nismo 400R的RB-X GT2引擎，最大马力为400ps/6800rpm，最大扭力为47.8kgm/4400rpm，动力输出超过原厂的GT-R，急速有超越300km/h的实力，搭配这两具5MT、6MT的变速箱显得较为确切。对比两者各挡位落差的平均值，5MT的各挡位转速落差平均值为2413rpm，时速落差平均指则为60.7km/h，而6MT的转速平均落差为2150rpm，时速落差平均值为55.4km/h，可以看出6MT的各个挡位落差明显比5MT小，因此6MT的动力衔接更为理想，而对应极速比5MT更高，充分体现了6MT可以兼顾加速和极速表现的优势。
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2018/10/29 16:11:22
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