S5《车辆与行走机械的静液压驱动》| 四种传动技术之纯机械传动

连载 5

第二章现代车辆与行走机械采用的

四种传动技术之纯机械传动

“纯机械传动”界定为在整个传动系统中只有机械能传输的传动系统。“纯”字，为的是强调其主要的功率流的传输过程没有转化能量形式，有异于传动链中均存在某种形式的能量形式变化的液力、电力和液压这三种传动技术。

本期让我们继续王意教授《车辆与行走机械的静液压驱动》一书第二章的研读之旅，一起来了解四种传动技术之一：机械传动

车辆与行走机械的主流传动形式

最为传统的纯机械传动装置的基本传动链路线

发动机的动力经离合器、多挡齿轮变速箱、传动轴、差速器、半轴、侧减速器或轮边减速器（不一定有）传输到驱动轮（图2-1）。

图2-1 车辆与行走机械的四种传动方式：a). 纯机械传动

1-发动机 2-离合器 3-机械变速箱 4-万向节传动轴 5-驱动桥（含主减速器、差速器、半轴和侧减速器等）

如果驱动轮同时作为转向轮，尚须在半轴处设万向节或采用绕转向节主销回转的锥齿轮减速器。用变速箱换挡或改变行驶方向时，均需先操纵基于摩擦或电磁原理工作的离合器（主离合器或换挡离合器）。在发动机与变速箱之间，以及变速箱与行走装置之间设置的某些传动环节还可能采用皮带、链条甚至软轴传动。

机械式变速箱的传动比一般是

有级变化的

需要通过调节输入端动力机的转速来“填充”各个挡位之间输出轴转速中的间断部分，通过两者的配合能够得到一个比较连续的输出转速和可承载转矩的变化。对应的动力传动装置输出特性曲线的光滑程度和相应的速度变化的柔和程度，既取决于两者的结构及匹配的品质，也取决于驾驶人员的操作水平。带有预选挡功能的、甚至是由计算机控制的自动换挡装置的引入，大大减轻了驾驶员的操作负担，也显著提高了换挡过程的平顺性。这一类技术包括动力负荷换挡变速箱、自动机械变速箱（AMT）和双离合器变速箱（DSG）等。

有趣的是，历史上最早用于动力车辆的机械变速箱并非都是有级变速的，而是有些采用了一种基于摩擦传动的无级变速装置（图2-2），其传动链类似于今天许多锻压车间还在使用的盘式摩擦压力机。这种机构已经兼有了车辆行驶所需要的离合、变速乃至强制差速转向的功能，但明显的缺点则是用于行走机械上过于笨重。

图2-2 历史上曾经出现过的摩擦盘式车辆无级变速装置

a) 1907年Stock型摩托犁（一种早期的拖拉机）样机使用的双盘变速器（据Renius） b) 1920年瑞士制造的汽车上装设的无级变速装置。此时的工程师们已经了解了无级变速传动的优点（据ZF）

后来出现了在摩擦离合器配合下利用变换啮合齿轮副的方式来改变传动比的有级变速箱，结构紧凑了许多，这一基本原理和结构得以一直沿用至今（图2-3）

同步换挡式变速箱

当然其间在材料工艺方面有了巨大进步，特别是以较少的齿轮通过适当的排列组合获得较多挡位等设计技巧不断提高，换挡操纵方式也得到了明显的改善。早期的变速箱靠直接滑动质量相当大的整个齿轮换挡，后来改进为使用轻便得多的牙嵌离合器之类的结合套在常啮合的齿轮副之间切换，大大减少了换挡过程所需的操作力和时间，但是仍然需要相当高的操作技巧才能避免换挡过程出现过大的冲击和“打齿”现像。直到今天，驾驶一些廉价的卡车和拖拉机时还需要掌握在换挡时“两脚离合器”、“加空油”之类的操作窍门。机械变速箱进一步的发展是以能够迫使空载齿轮与带载齿轮协调运转的同步器取代了结合套构成的同步换挡变速箱（图2-3 a），在简化了操作要求的同时还明显地提高了换挡过程的平顺性，形成了当今车辆手动换挡变速箱的主流。而在特别偏爱机械变速箱稳态传动效率高、输出特性“硬”、却又要精确匹配作业速度的现代农业拖拉机上，则更是将纯机械的有级变速箱技术发展到了极致，不仅陆续采用了多种形式的电液控制的动力负荷换挡变速箱，而且通过组合模块等方式使整车的变速挡位增加到了32个甚至更多。

图2-3 几种现代车用机械变速箱的内部结构

a) 同步换挡式变速箱（Carraro） b) 动力负荷换挡变速箱（Carraro） c) 链式无级变速箱（Mini）d) 双离合器DSG自动换挡变速箱（大众，Volkswagen）

即使在现代技术条件下，纯机械传动的变速箱仍然是最常见和应用面最广的一种车辆与行走机械的传动部件。与纯机械传动相关的机构学是一门高度发展的学科，也是所有在车辆和行走装置领域中的工程技术人员的必修课程。现代液力、电力和静液压传动装置的发展，也都与机构学密不可分。仅从故宫博物院中那些精美绝伦的古代钟表中人们就能体会到用精巧的机构可以实现多么负杂和精确的运动。因此，实际上单纯使用机械传动已完全能够实现使车辆与行走机械上分布在各个部位上的所有的部件正常运转的要求，其他形式的传动只不过是在机械传动的基础上对于某些功能和特性的优化和改进，特别是提高了对于负荷的适应能力，以及使得传动的布置和控制更为方便。但这些改进通常都伴随着制造和使用成本的增加的负面效应。一般来说，传统的有级变速的纯机械传动装置在目前仍然适合用于工况比较稳定、变速和换向频度较低，及对成本、价格和稳态油耗要求严格的机械和车辆，如各种带载行驶距离较长的卡车、轿车、农业拖拉机及大量简单、低廉的机动车辆等。

链式无级变速装置

为了改善机械传动的性能，近年来在中小型车辆上开始采用皮带、链条或锥盘式机械无级变速装置，特别是链式无级变速装置CVT（图2-2c）在小轿车和乘用车领域获得了巨大的成功，已经成为传统的带有机械换挡部件的液力自动变速箱的有力竞争者。但目前这些机械无级变速机构的变矩比范围尚较小，输出轴的旋转方向不能改变，尤其是还没有能够解决从零起步和过零点正负双向调速的问题，仍然需要附加离合器乃至有级齿轮变速箱才能适应车辆的使用要求。实用中较大功率者还在输入端附加了液力变矩器，输出端则设置了齿轮正倒档机构。这种状况既可以说是机械无级变速装置的实用化，也可以理解为是在液力变速箱中用机械无级变速机构取代了机械有级变速机构的一种改进。目前机械无级变速装置商品的可用功率尚有限，变速元件（摩擦盘和无级变速链等）对于转矩超载比较敏感，主要用于小轿车、摩托车、自走式联合收割机等行走功率不大和负荷变化不很剧烈的车辆上。

“动力负荷换挡”式机械变速箱

在某些大中功率农业拖拉机和高通过性特种车辆的机械传动装置中，采用了带液压控制的湿式换挡离合器和制动器的“动力负荷换挡”式机械变速箱（图2-2b），以缩短换挡时间和减轻驾驶员的操纵力。此处“动力”指由液压或电动装置操控，“负荷”指可带负荷切换挡位而无须操作主离合器。但此类变速箱结构复杂，并由于存在较多空转部件的搅油损失和湿式离合器的拖带损失，使得传动效率也有所降低。

双离合器DSG或DCT变速箱

机械式有级换挡变速箱的另一个发展方向是用计算机电液控装置模拟人工操作离合器和换挡过程的AMT自动变速箱，已用于小轿车、重型卡车和某些军用车辆上。从本质上说，当前被炒得火热的双离合器DSG或DCT变速箱（图2-3 d）其实采用的也是一种AMT技术。现有的各种手动换挡的机械变速箱原则上也都有可能通过附装一套电子控制的离合器和换挡执行机构改装成AMT自动变速箱，但是在实用中要精确地模拟驾驶员在千变万化的行驶状态下换挡时的细微感觉和动作却并非易事，而且要为原本以结构紧凑和价格低廉见长的普通手动变速箱装上一套目前还相当昂贵的智能控制系统，并要为其让出安装位置和提供控制和执行动作所需能源的做法是否合理和合算，仍然是一个需要全面斟酌的问题。笔者认为，像DSG这样的源自军用车辆和F1赛车的预选挡技术并经过优化设计研制的机械自动变速箱，以及专门研制的带有嵌入AMT系统的机械自动变速箱将会具有较大的发展空间。而为现有手动变速箱研制的通用或专用的AMT改装套件，恐怕不会有很大的市场。

纯机械传动系统中也可以设置蓄能装置，这就是有一定质量和高速旋转的飞轮装置。其实任何一台活塞式内燃机都装有飞轮。机械飞轮以动能形式储存能量，还兼可利用飞轮的陀螺效应稳定车辆的姿态，见之于自行车、摩托车和近年来兴起的单轴滑板车。机械飞轮蓄能现在已是一种实用可行的回收车辆与行走机械减速、制动和下坡时多余动能的节能技术中的核心元件。

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