S1《车辆与行走机械的静液压驱动》| 现代车辆与行走机械的传动装置

按照马克思主义的经典理论，包括行走机械在内的各种机器系统都是由原动机、传动机和工作机三个基本部分构成的（图1-1）。

现代车辆和各种具有自行移动能力的行走机械的动力源主要仍然是以汽油、柴油或可燃气体为燃料的活塞式内燃发动机和少量的燃气轮机，同时以蓄电池等二次能源供能的纯电动车辆和内燃机与电动机两者结合的油电混合动力车辆也在日益增多。

一百多年前以高转速高效率的内燃机取代蒸汽机驱动行走装置曾是车辆技术的革命性的巨大进步，无论在能量转化效率、结构体积和功率密度方面，内燃机都比蒸汽机要优越得多，并因之极大地促进了车辆的轻量化和高速化发展进程。

然而有得必有失

往复蒸汽机的一个重要的优点是其简单皮实的结构和宽阔的调速范围。代汽油机和柴油机等内燃机在额定功率下运转时，当负荷增加后其输出转矩所能达到的增加值相当有限，并有最低转速的限制，即使是空载也无法在很低的转速下运转，而且多数机型都不能反转。它们还都需要包括人力在内的其他动力装置来启动。所以单用内燃机是无法像蒸汽机那样直接来驱动车辆的。作为匹配车辆与行走机械原动机和工作机的特性差异的“二传手”，各种传动机和控制机的存在也就是十分必要的了。

然而，除了上述要解决特性匹配的要求之外，在车辆与行走机械的原动机与工作机（行走机构）之间设置传动机，特别是传动比可以改变的传动装置（变速箱），还有一个系统资源优化配置的作用。这体现在以下几个方面。

车辆与行走机械这样的移动设备对轻量化的要求十分迫切，特别注重前面已提及的“功率密度”的提高。

功率密度是动力或传动装置的功率容量与其结构质量的比值。最为理想的情况是动力源传动装置的输出转矩和输出转速之间具有接近于所谓“恒功率”的双曲线特性关系。即使车辆行走装置的驱动系统不仅在启动、加速和低速运转时应该能够输出尽可能大的力或转矩，以克服各种部件之间较大的静摩擦和加速惯性力，而且在作业中遇到负荷突然增加时又需要能以降低速度来换取更大的推进力。

经验表明，当使用单一对像或单一技术难以全面满足互相矛盾的一些性能要求时，改为利用“分工论”的原则，依靠增加某些中间环节的手段往往是解决匹配问题的更好方法。按照这一原则，人们将对于零部件较多、机构较为复杂的动力机的功能的要求，简化为仅在于转速较高、但转速变化范围不大有利的工况下高效率地输出功率，而把与工作机（行走机构）所要求的宽广的速度范围内的相差悬殊的转矩匹配转由依靠专设的传动机来完成，就是这样的一种提高整个动力传动装置的功率密度和调节品质的有效措施。

传动机的结构和能量传输的方式较之动力机相对简单，其输出部件因之能以较轻、较小但却更为结实的结构来承担输出为工作机所需的较大的转矩。有了高速轻巧的原动机和具有较宽的可调节速比的传动机这样的“专业分工”，就无需再使用蒸汽机那样庞大笨重的原动机来直接驱动车轮，整机的动力和传动系统的总体的功率密度因之得以显著提高。

车辆与行走机械的动力传动系统的最高总效率并不是每个环节各自最高效率的简单乘积，而是同一瞬间各自实时效率的乘积。对于整机的性能来说，更有实际意义的是实时的总效率的高低和走向趋势。

此处需要区分系统和构成系统元件的“稳态最高效率”和“实时平均总效率”这两个概念。稳态最高效率是指系统或构成元件本身在试验台上于最有利的稳定工况条件下测出的效率峰值，从单独的原动机或传动机的样本上常常可以查到或推算出它们的稳态最高效率值。实时平均总效率表征的则是在一定的运行时间段内，一套装置输出的总有效功和总的输入能量之比，它主要用于评估由原动机和传动机乃至工作机所构成的全套系统的经济性，不仅受系统中各环节的自身的稳态最高效率的影响，而且与各环节之间的匹配水平以及所遇到的的工况中载荷谱的变化关系密切。

现在汽车越来越普及，人们所关心的表征汽车经济性的百公里（千米）油耗值正是这样的一个综合性指标。众所周知，在不同的行驶工况条件下，同一辆汽车的每百公里的油耗会有很大的差异，而根据某一型汽车在使用中可能出现的工况概率来优化其动力、传动和行走系统的相关参数的匹配来达到最佳的效益，则是汽车设计者的重要专业技能之一。

现代技术在原动机、传动机和工作机基础上进一步延伸出来的“控制机”的重要功能之一，正是要实现原动机、传动机和工作机高效区之间的优化匹配。理想的控制机能够根据原动机和传动机的效率特性以不同的目标函数（如最高生产率、最低能耗、最长运转寿命等）把它们的实时工作点调节到对应的最佳值。

现代技术甚至对于作为工作机的行走机构也可作出某种实时调节，例如在车辆行驶间根据路面状况和推进力的需求调节驱动轮轮胎的气压，通过轮距和轴距的变化调节多个驱动轮之间的载荷分配等等。不过就整机系统而言，目前这种调节的主要控制参数仍然是传动机的传动比。

功能良好的传动装置能使动力机在车辆上的安装位置的选择更为灵活和自由，并因之更方便地满足整机总体布局上各项优化目标的要求，如使动力机远离驾驶室以减小对驾驶员的噪声袭扰和视野的遮挡、将较为笨重的动力装置和某些受力构件布置在车架的底部以降低重心等等。传动机还担负着向多个驱动轮或其他工作机按需要分配动力，并协调它们之间的运动关系的任务。当整机上设有多台原动机（例如油电混合动力车辆）时，也需要由传动机将各个工作机所需要的驱动功率合理与适时地分配到各个动力装置。

传动机需要能与原动机和工作机共同平抑这些负荷冲击。由于传动机本身的调节范围，一般都比原动机和工作机更宽，反应也更快，还有可能集成基于摩擦、液压或电涡流等各种专门用于吸收冲击能量的部件，对于抑制冲击的影响，并有效地保护整机系统不受载荷剧烈变化的伤害具有更重要的作用。在此基础上，传动机在吸收车辆在减速和下坡时具有的多余动能和势能并再生利用的节能系统中，也发挥着重要作用。

选择和研制传动机系统是优化整机性能的必由之路，也是能够发挥设计者们创新才能和个性化理念的一个广阔的空间。