一臺變速箱毀所有?變速箱為什麼要背這個鍋?

2020-12-22 玩車教授

都說變速箱是汽車動力的靈魂,發動機輸出的馬力,需要變速箱來打理,變速箱強悍,車輛自然錦上添花,假如變速箱不行,就會是「一臺變速箱毀所有」。目前市面上又AT、DCT、CVT、MT等幾種變速箱,根據不同的工作邏輯、工作方式有不同的特性。

講變速箱之前,首先要了解什麼是行星齒輪。行星齒輪是一種相當有意思的發明,它有非常好的變速特性,經常作為核心部件被用於汽車的自動變速箱。行星齒輪組有四個核心部件:太陽齒輪、行星齒輪、齒輪換和行星齒輪架。行星齒輪組可以改變力的方向、速度。

當兩個齒輪一起旋轉的時候,結合面的速度是一致的,假如兩個齒輪的結合面速度不同,那麼兩個齒輪就會出現打齒,只要將這個原理應用在行星齒輪組上,就會知道它是如何實現變速的了。

下面這部分就需要靠您的想像力了

假如,齒輪環是靜止的,太陽齒輪開始旋轉,此時行星齒輪就會跟著太陽輪公轉並自轉,公轉方向就跟太陽輪旋轉的方向一致(自轉方向與太陽輪相反),由於行星架跟行星齒輪是相連的,所以它也會隨著行星齒輪一起旋轉。

假如太陽輪是固定的,而齒輪環轉動,同樣行星齒輪會跟隨齒輪環轉動,公轉方向跟齒輪環一樣,自轉則相反;但由於齒輪環與行星齒輪之間的齒比較大,所以會比上面情況旋轉得更快,而行星架自然也旋轉得更快。

只要保持行星架不動,就可以實現反轉力的效果,這樣一來,太陽輪的旋轉方向跟齒輪環的旋轉方向相反,但是速度不變。

為了達成輸出不同的速度,必須要在不同的組件上輸入速度,事實上這在真實的機械結構上是很困難的。在自動變速箱上,為了變速要把三個行星齒輪組同軸序列安裝在一起。

對於現在的汽車,AT變速箱是一個比較流行且可靠的選擇,AT變速箱是基於行星齒輪組來工作的,行星齒輪組有兩個輸入端和一個輸出端,在AT變速箱裡,輸出端的旋轉是來自行星架,兩個輸入端分別是太陽輪和齒輪環。

首先讓齒輪環固定,轉速只輸入給太陽輪,這時候行星架就會跟隨運動起來,輸出=1/3.1輸入;假如讓齒輪環也旋轉起來,那麼輸出端的轉速就會增加;假如太陽輪的轉速和齒輪環的轉速一樣,那麼整個行星齒輪組就作為一個整體在旋轉,可以稱之為直接驅動模式,輸入=輸出;繼續讓齒輪組加速,齒輪組速度大於太陽輪的速度後,行星架(輸出端)的速度會進一步增加。

所以,AT變速箱就是把不同速度加載到齒輪環和太陽輪上,AT變速箱的精妙就自安於可以簡單用一些離合器結合分離來傳輸這種速度變化。在AT變速箱裡面,輸入軸和輸出軸是沒有直接相連的,而是在輸入軸和輸出軸之間有一個中間軸,另外用離合器來傳輸動力,離合器外齒連接這中間軸,內齒連接著輸入軸,壓緊離合器(C1)就會讓動力從輸入軸傳輸到中間軸上;此外,在行星齒輪組後端也有一組離合器組C5(外齒連接著變速箱殼體,內齒連接著齒輪環)這就是最簡單的AT變速箱傳輸動力的原理。

1擋時,如果離合器結合,輸入軸和中間軸就連接起來;另一反面,如果C5也結合的話,齒輪環就會和變速箱殼體相連,也就使得齒輪環被固定住。為了實現1擋,只要同時讓C1和C5結合,由於齒輪環是固定的,輸出軸就會隨著輸入軸旋轉,輸出轉速大約是輸入轉速的三分之一,輸入轉速和輸出轉速之比就是齒比,1擋的齒比為3.1;

為了增加傳動比,需要再增加一個行星齒輪組,同樣太陽輪跟中間軸同軸相連,同樣行星齒輪組外側有一組離合器C4,如果讓C4結合,就會讓第二個行星齒輪組的行星架旋轉起來。這裡有一個重點,第二個行星齒輪組的行星架是跟第一個行星齒輪組的齒輪環硬連接的,於是當C1和C4結合時,一號行星齒輪組的齒輪環也就旋轉起來了,因此,輸出軸也是同時在旋轉的,就跟剛剛1擋的情況類似,這就意味著輸出軸的轉速增加了,這就是變速箱的2擋。

2號行星齒輪組和行星架同時還連接著一個中空軸,這個中空軸可以在一個離合器C2的幫助下直接與輸入軸相連,離合器表面同樣存在離合片,內齒連接著空心軸,外齒連接著輸入軸的外套,這種情況下我們就能實現4擋(或者說直接驅動)也就是說輸入軸的轉速跟輸出軸一致。我們知道:為了實現直接驅動齒輪環和太陽輪的轉速需要和輸入軸一致,如果我們接合C1和C2,那麼齒輪環和太陽輪就直接連接到了輸入軸上;為了實現6擋,只需要釋放C1再接合C4,這樣而號行星齒輪組的輸入就給到了行星架上,齒輪環保持固定,在這種情況下太陽輪會獲得非常高的轉速,大約是輸入軸的3倍。

要實現剩下的擋位,需要再加入一套行星齒輪組,這套星星齒輪組的太陽輪和輸入軸保持連接,和剛剛一樣,這套行星齒輪組的輸入和相鄰2號齒輪組的齒輪環硬連接(齒輪環外有離合器C3),這就意味著讓C3結合時會導致2號齒輪組的齒輪環旋轉,剩下的3擋和5擋需要C3一直保持結合狀態,也就意味著2號齒輪組的齒輪環是一直旋轉的;要得到3擋,只需要再接合C1就好了。

此外,AT變速箱(CVT或者某些DCT也會使用)還需要一個液力變矩器。液力變矩器第一個組件是葉輪(Impeller),葉輪內部是彎曲的葉片並且被油液填充,當葉輪旋轉起來時,油液就會由於旋轉產生的離心力被甩到外側,葉輪的轉速越快,離心力也越強。

渦輪和葉輪對向安裝在一起,事實上,可以把渦輪看成是調轉180度的葉輪,從葉輪葉片流出的油液會流過渦輪的葉片,於是渦輪就會旋轉起來,葉輪的轉速比渦輪的轉速高得多,因為中間發生了一些轉換,例如扭矩變化以及能量損失。

葉輪產生的離心力作用於油液,油液將能量傳遞給渦輪,渦輪的葉片可以讓油液流回渦輪的中心再回到葉輪中心,油液就是這樣往復循環,這個就叫做液力耦合,此時是沒有扭矩轉換的。

如果需要進行扭矩轉換,就需要另一個特殊的裝置——定子(Stator),它位於葉輪和渦輪之間,油液經過渦輪流向定子,定子上彎曲的葉片幾乎可以讓油液的流向偏轉90度,結果就是扭矩被放大了,因為油液回流的速度變慢了。

葉輪安裝在液力變矩器的殼體上,而殼體又與發動機相連,於是葉輪就接受了發動機的機械能,通常液力變矩器還會有一個鎖止離合器(Lock-up Clutch),下文會講到;渦輪的輸出軸連接著渦輪和變速箱,最終輸出到車輪。

第一種狀態:停止。這時候發動機吧動力傳輸給葉輪,但是渦輪保持不動,因為駕駛員踩著剎車(例如等紅燈),所以車輛保持不動。

第二種狀態:加速。例如在紅燈變綠後,剎車被鬆開,駕駛員踩下油門,於是葉輪旋轉速度加快,但葉輪和渦輪之間存在一個明顯的轉速差,這種工況下,液力變矩器就會產生扭矩放大作用,對於加速這種狀態有一定的幫助。

第三種狀態:耦合。車輛高速運動,渦輪的轉速幾乎等於90%的葉輪轉速,扭矩放大停止,液力變矩器只是簡單的液力耦合狀態,一般情況下,如今的車輛在這這種狀態下都會使用一個鎖止離合器來鎖止葉輪和渦輪,這就減少了由液力驅動產生的能量損失。

變速箱是擋位數越來越多,很多人將變速箱的擋位數量作為衡量車輛好壞的標準,事實是否如此?

教授以海外版雷克薩斯LC500上的10速變速箱為例從加速性、經濟性和齒比範圍三個方面來講解,為什麼使用一個10速變速箱是合理的。

加速性能

在車輛剛開始起步的時候,車輛可以有很大的加速度,因為此時車輛是速度較慢,擋位較低,扭矩較大,1擋大概能讓你加速到40~60公裡每小時,之後就必須升擋來降低齒比以達到更高的速度。想要讓車輛獲得理想加速能力,就需要讓發動機一直保持在最大功率點。假設現在的速度是72km/h,再假設某個齒比能讓發動機保持在7100rpm,也就是LC500發動機最大功率點,如果我們有那個齒比的話,那我們在這個速度上就能擁有最大加速能力。

這也說明了為什麼CVT是理想的變速箱,因為它可以讓發動機保持在任意轉速並根據需要不斷調整齒比,所以一個CVT可以讓發動機一直保持在7100rpm,然後從高齒比一直變化到低齒比來連續加速,讓加速一直保持在理想的加速能力,但是人們並不想花100萬去購買一輛CVT變速箱的性能車,性能車的駕駛員還需要享受換擋的過程,享受由於換擋導致的聲量的變化,駕駛感受等,所以CVT在性能車上行不通,也正是如此,所以需要更多擋位的變速箱。

但是擋位的犧牲性能的,每一次換擋都意味著加速能力的降低,因為齒比降低了;接下來就換到了2擋,但是在1擋和2擋之間的區域是損失掉了加速能力的,所以通過增加擋位,例如10個擋位,就可以儘量縮短由於換擋而導致損失加速能力,就可以儘量接近理想加速曲線,並且同樣可以享受駕駛樂趣。

當然,增加擋位也是有不足的地方,因為換擋是需要時間的,不過教授認為這並不是什麼大問題,首先因為換擋是一個有駕駛樂趣的事,第二這意味著會有更大的加速度,推動你的G值更大,也就更有駕駛樂趣,雖然最終加速成績可能比較慢,但是你的推背感會更強。

效率

我們可以從發動機萬有特性圖(Brake specific fuel consumption,簡稱BSFC)是指輸出特定功率的動力時需要消耗多少油,縱坐標是發動機的負載,也就是節氣門的開度,橫坐標是發動機的轉速,中間的不同顏色代表了耗油量,也就是效率,藍的最高效,以此類推,顏色越淺,效率越低。

所以想要保持在較低轉速但是比較高負載的時候,發動機會表現出最高的效率,離開此其餘後,例如高轉速低負載情況下,效率最差;所以發動機高效區間是低轉速高負載。假設車輛目前處於3擋,當前轉速比較高,但是負載較低;但假如現在是5擋,負載較高,但是轉速會下降,這樣兩者輸出的功率其實是一樣的,但是使用5擋時的油耗比較低。

也就是說,如果有更多的擋位,那麼就會有更高的概率讓發動機工作在高效區間,這也是為什麼目前越來越多車使用CVT變速箱的原因,因為它能讓發動機長時間保持在高效運轉區間,如果不想用CVT,那麼只能使用更多的擋位來儘量使發動機工作在最佳燃效區間。

齒比範圍

當變速箱選擇某個擋位是,它實際上是加速性、燃油經濟性和最高速度綜合考慮後的結果。例如當前的擋位比較高,此時能夠擁有更高的極速,這時候的轉速會相對比較低,也就是更省油,但是犧牲了加速性能。具有大齒比的低擋位可以讓你加速更快,例如雷克薩斯RCF,其使用一臺8AT變速箱,雖然發動機跟LC500是一樣的5.0L V8,但是LC500是10AT,所以LC500的一擋齒比要比RCF更加激進,LC500的9、10擋的齒比要比RCF的8擋更低,LC500的齒比範圍要更加廣泛,這就使得它有更多的選擇來決定此時是需要加速還是要極速還是要節能。

為什麼不用少擋位大齒比?因為這兩個擋的齒比相差比較大時,兩個擋位之間的空檔就會很大,就會犧牲加速性,也犧牲了燃油經濟性,這跟以前的4AT升級到6AT時是一樣的道理,遇上了無擋可選的尷尬。所以更多的擋位無論是貼近最佳加速曲線能力上還是保持發動機在最佳燃效區間的能力都是比少擋位變速箱更強。

多擋位變速箱會遇到一個問題:選擋,車輛在相同狀態下,是需要加速還是需要節能,這就考驗了車輛對駕駛員意圖的理解,假設理解不夠透徹,就會出現選擋困難的情況,造成頓挫。

以上就是教授對於變速箱的科普,假如你對AT變速箱如何換擋還不夠清楚,歡迎在下方留言。可以說,目前CVT是最佳的變速箱選擇,但是由於人們對於車輛不僅僅是「能動」特別是性能車,更重要的是車輛給人們帶來的視覺、聽覺以及體感上的刺激,相比起單純的加速能力,駕駛感受、駕駛樂趣更重要。

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