(一)变速器和离合器
由于内燃机的特性曲线不适合汽车的使用要求,必须在内燃机汽车传动系统装置中安装改变转矩的变速器。同时,为了满足内燃机的无负荷起动等要求,还必须使用离合器。
变速器和离合器的种类很多,摩擦传动是变速器最简单的一种传动形式。摩擦传动变速器是由一个发动机驱动的大摩擦盘和一个可在大盘上移动的摩擦轮组合而成的。离合器的作用是靠抬起摩擦轮,使其离开转动盘来实现的。1891年,法国人制成了摩擦片式离合器。摩擦传动的结构简单,它所能传动的功率相对较小,所以没有得到广泛的推广和应用。
后来出现的行星齿轮传动变速器,使用也不太广泛。行星齿轮变速器的换挡通过脚踏板来控制行星齿轮组进行操纵,有两个前进挡及一个倒车挡。福特T型车将行星齿轮变速器和离合器的功能合理地结合起来,使之成为一个操纵简便、耐用可靠的传动系统。
1889年,法国标致股份有限公司成功研制了齿轮变速器和差速器。早期有些变速器的齿轮换挡时,不可以从空挡直接换到第二挡或第三挡,不久,这种变速器就被可以选择换挡的变速装置所替代。后来,H型滑板很快地发展起来,并得到合理的使用。从此,大多数汽车都使用了这种标准的变速器换挡装置,使换挡更便捷。
20世纪20年代,一些豪华型轿车上采用了同步啮合变速器,避免换挡时齿轮发出撞击声,改变了以往驾驶员为了平稳地啮合齿轮并减少撞击,而不得不使用两脚离合器换挡法,从而提高了换挡性能和安全性。
由于液力变矩器无须齿轮就能使扭矩成倍增长,因此作为早期的自动变速器运用在汽车上。现代汽车的自动变速器装置除了有液力变矩器之外,还增加了齿轮机构,使之成为一种高效、合理而可靠的轿车部件。近年出现的无级变速传动(Continuously Variable Transmission,CVT)性能更为先进,与普通自动变速器的最大区别是省去了复杂而又笨重的齿轮组合变速传动,变速机构的核心组件是两组带轮,通过改变驱动轮与从动轮金属带的接触半径进行变速。液力变矩器的自动变速器传动效率只有87%左右,而无级变速器的传动效率高且稳定,变速范围高达5~6倍,传动效率可高达95%。因此,无级变速器在未来将有很大的发展空间。
锥形离合器是早期离合器经常采用的形式之一,操作时需要有高难度的技巧,因而也被片式离合器所取代。
(二)汽车的驱动
早期的制造商对汽车传动装置的布置,即采用前轮驱动还是采用后轮驱动这个问题,曾做了认真的研究和考虑。
汽车刚问世时,人们大都采用后置发动机、后轮驱动的方式。1898年,法国雷诺汽车公司首先使用了万向节传动轴。1899年,法国的汽车最早采用前轮驱动。19世纪末,法国人发明了发动机前置、后轮驱动的“帕纳尔”系统,对以后的汽车驱动方式产生了积极影响。1901年,戴姆勒发动机公司在“梅赛德斯”汽车上成功地使用了这项技术。在1900年—1925年,后轮驱动汽车占绝对优势,而前轮驱动只应用在某些赛车上。
20世纪20年代中期,法国雪铁龙汽车公司首先在欧洲实行汽车生产流水线,1934年,雪铁龙“TA前驱动”汽车问世,它成功地将前轮驱动、无底盘的车辆结构,通过扭杆将单轮避振和液压制动等先进技术融于一体,并进行成批生产,由此成为继福特T型车后汽车史上一个新的里程碑。采用前轮驱动,可以使汽车的质量分配得更合理些,因而其驱动性能远远优于后轮驱动。当然,这也导致前轮驱动汽车的转向系统比后轮驱动汽车更复杂。随着前轮驱动技术的日益发展,前轮驱动现已成为世界上新生产的各种类型的汽车中使用最为广泛的一种驱动系统,而且它的优越性也越来越突出。日本三菱汽车公司研制出可以检测前轮转角和转速以确定轮胎能接受多少功率的跟踪系统。如果所要求的功率过大,跟踪系统就会自动地反馈到发动机并降低其功率输出。利用这套跟踪系统,转向时汽车就能够自动沿着所要求的路线行驶,避免发生偏行现象。
为提高汽车的行驶性能,越野汽车常采用前后轮驱动传动系,使所有车轮都成为驱动轮。
(三)转向装置
舵柄和横杆是早期的汽车转向时使用的操纵装置。1896年,英国的汽车首先采用了转向盘。后来,带有齿轮减速比的转向机构很快被推广使用。但是,它不像舵柄或横杆那样置于汽车的中线位置,而是必须置于汽车的左边或右边,这就引起左置转向盘和右置转向盘之争,这个问题也从未完全解决,因为它与道路的左行或右行有关。
20世纪50年代,在美国的一些大型轿车上出现了动力转向。它是通过发动机带动的液压泵来供给液压,再作用到与转向联轴装置连接的可动元件上,从而大大地降低了转向操纵力。动力转向系统现已在世界上各种不同大小的汽车上得到广泛应用。
(四)悬架机构的变化
早期汽车的悬架几乎全部都采用钢板弹簧结构。
1900年—1930年,轿车悬架一般是由非驱动前轴与其两端的转向节所组成。1902年,法国狄第安采用了流传至今的后桥半独立悬架。通用汽车公司在20世纪30年代初采用了前独立悬架,由于大大改善了乘坐舒适性,这种悬架很快在其他轿车上出现并被推广。法国雪铁龙汽车公司首先使用了空气悬架,它由4个经橡胶浸渍的空气囊来代替汽车4个角上的弹簧。通用汽车公司虽在20世纪50年代末,将空气悬架作为首选设备,在凯迪拉克等汽车上予以使用,但到20世纪80年代中期,空气悬架才真正流行起来。还有一种称作扭力杆式悬架的形式,曾经在美国少量使用过。
现代汽车中的悬架有两种:一种是从动悬架,另一种是主动悬架。从动悬架即传统式的悬架,由弹簧、减震器、导向机构等组成,其功能是减弱路面传给车身的冲击力,减弱由冲击力引起的承载系统的振动。其中弹簧主要起减缓冲击力的作用,减震器的主要作用是减缓振动。由于这种悬架是由外力驱动而起作用的,所以称为从动悬架。而主动悬架的控制环节中安装了能够产生抽动的装置,采用一种以力抑力的方式来抑制路面对车身的冲击力及车身的倾斜力。由于这种悬架能够自行产生作用力,因此称为主动悬架。
主动悬架是近十几年发展起来的、由电脑控制的一种新型悬架,它具备以下三个特点。
①具有能够产生作用力的动力源。
②执行元件能够传递这种作用力并连续工作。
③具有多种传感器并将数据集中到微电脑进行运算并决定控制方式。
因此,主动悬架汇集了力学和电子学的知识,是一种比较复杂的高技术装置。(www.xing528.com)
例如,装置了主动悬架的法国雪铁龙桑蒂雅,该车悬架系统的中枢是一个微电脑,悬架上有5个传感器,分别向微电脑传送车速、前轮制动压力、踏动加速踏板的速度、车身垂直方向的振幅及频率、方向盘角度及转向速度等数据。电脑不断接收这些数据并与预先设定的临界值进行比较,选择相应的悬架状态。同时,微电脑独立控制每一个车轮上的执行元件,通过控制减震器内油压的变化而产生抽动,从而能在任何时候、任何车轮上产生符合要求的悬架运动。因此,桑蒂雅轿车备有多种模式以供选择,驾车者只要扳动位于副仪表板上的“正常”或“运动”按钮,轿车就会自动设置最佳的悬架状态,以求最好的舒适性能。
另外,主动悬架具有控制车身运动的功能。当汽车制动或拐弯时的惯性引起弹簧变形时,主动悬架会产生一个与惯性力相对抗的力来减少车身位置的变化。例如,德国奔驰2000款GL型跑车,当车辆拐弯时悬架传感器会立即检测出车身的倾斜和横向加速度,电脑根据传感器的信息,与预先设定的临界值进行比较计算,立即确定在什么位置上将多大的负荷加到悬架上,使车身的倾斜减到最小。
悬架主要影响汽车的垂直振动。传统的汽车悬架是不可调整的,在行车中车身高度的变化取决于弹簧的变形。因此就自然存在了一种现象,当汽车空载和满载的时候,车身离地间隙是不一样的。尤其是一些轿车采用比较柔软的螺旋弹簧,满载后弹簧的变形行程会比较大,导致汽车空载和满载的时候离地间隙相差几十毫米,使汽车的通过性受到影响。
汽车的不同行驶状态对悬架有不同的要求。通常在良好的路面上行驶时需要柔软一点的悬架以求舒适感,当急转弯及制动时又需要硬一点的悬架以求稳定性,两者之间是有矛盾的。另外,汽车行驶的不同环境对车身高度的要求也是不一样的。一成不变的悬架无法满足这种矛盾的需求,只有采取折中的方式去解决。在电子技术发展的带动下,工程师设计出了一种可以在一定范围内调整悬架刚度的电子控制悬架来满足这种需求,这种悬架称为电控悬架,目前比较常见的是电控空气悬架。
以前,空气悬架多用于大客车上,停车时悬架下降,汽车离地间隙减小,便于乘客上下车;开车时悬架上升,便于通行。这种空气悬架系统由空气压缩机、阀门、弹簧、气室(气囊)、减震器组成。车辆高度直接靠阀门控制气室的空气流进流出来调整。现在轿车用的电控悬架引入了空气悬架原理和电子控制技术,并将两者结合在一起。典型的电控悬架由电子控制元件(Electronic Control Unit,ECU)、空气压缩机、车高传感器、转向角度传感器、速度传感器、制动传感器、空气弹簧元件等组成。空气弹簧元件由电控减震器、阀门、双气室组成。电控减震器顶部有一个小型电动机,可通过转动一个调整孔大小的控制杆将阻尼分成多级,从而实现控制阻尼的目的。阀门也充当了调节气流的作用,通常双气室是相通的,合起来的总容积起着空气弹簧的作用,比较柔软;当关闭双气室之间的阀门时,则以一个气室的容量来承担空气弹簧的作用,就会变硬,因此阀门起到控制弹簧变软变硬的作用。同时,该系统的电控减震器还能调节汽车高度,可以使车身高度(缩小离地间隙)随车速的增加而降低,减少风阻以节省能源;在车速比较慢时,车身高度又可恢复正常。
1991年,日产公司使用了全自动悬架系统,它是向真正的智能汽车迈进的重要步骤。日产公司的这个系统有其自己的动力来源,并可以预先测知悬架系统的动作(对道路凹凸不平的反应),而不只是对它们做出反应。传感器可测得车轮在碰到一个凸块时的垂直速度,这个系统立刻产生一个大小相同、方向相反的力作用在车身上,这样就缓冲了车身的剧烈振动,从而使汽车即使在最崎岖不平的路面上也能保持平稳行驶,各种冲撞和颠簸动作很少能够传到座舱里。悬架系统的计算机系统还能控制汽车的俯仰和横摆,使乘客有一种其他任何系统都难以获得的平衡舒适的感觉。
(五)制动器
一辆汽车不仅要能行驶,也必须能停止。随时让汽车减速或制动的控制装置称为制动器。
在早期的链传动汽车中,采用将制动器固装在车架上的布置,对链传动轮轴产生制动作用,如果链条受力不均而断裂,就会产生重大事故。福特T型汽车使用单片制动带,已有所改进,但万向节过度使用而失效时,仍会导致重大事故。
大约到1910年,大部分车的链传动已经被传动轴传动所替代,且当时的制动鼓已经移到汽车的后轮上,一般由内胀式制动蹄和外抱式制动带来制动。大多数制动系统都以脚踏板来操纵制动蹄,而以手制动器来控制制动带。这种手制动器不只是在停车时使用,而且也作为第二行车制动器来使用。但这一套制动系统存在雨天制动效能大为降低的致命缺点。
20世纪初,美国研制并发展了四轮液压式制动方式。因为这种系统中每个轮子上的液压是相同的,所以制动操纵更省力,也更平稳。
20世纪60年代开发出的双管路液压制动方式,使汽车的4个轮子通过两套完全独立的液压系统进行全面控制,即每个系统各控制两个轮子。这样,当其中一套制动系统出现故障时,另一套独立的系统仍然能使汽车安全停止,因而制动系统更安全可靠。
1896年,英国的汽车首先采用了石棉制动片。到20世纪60年代,英国的美洲虎汽车首先使用了盘式制动器,它提高了制动系统抗摩擦力衰退的能力。因为前轮驱动的汽车,其质量偏向前方,所以前轮为盘式制动器而后轮为鼓式制动器的设计方法得到了推广。这种系统至今仍为大多数汽车所采用,并且其技术和性能日益提高。
(六)车轮和轮胎
最早的汽车车轮采用木质轮辐,与当时可移式炮车使用的车轮很相似。1910年以前,汽车车轮通常都采用嵌入式轮辋。1910年以后,出现了可拆卸的轮辋,使轮胎安装工作变得较为容易且快捷。
20世纪20年代,木质轮辐的车轮先后被钢质车轮、钢丝车轮和圆盘式车轮所代替。当车轮在行驶过程中发生急转弯时,木质的车轮很容易损坏,而采用了金属车轮后,就不再发生这种情况了。
1886年本茨和戴姆勒发明的汽车是实心橡胶轮胎;直到1888年英国一位兽医邓洛普发明了自行车用充气轮胎(图3-12),这种充气轮胎才开始应用到汽车上。图3-13所示为充气轮胎的发明者邓洛普。
图3-12 世界上第一只充气轮胎
图3-13 充气轮胎的发明者——邓洛普
1888年英国兽医约翰·伯德·邓洛普,看到自己儿子的自行车实心橡胶轮在石头路上颠簸很厉害,于是用一根通过活门充气的管子,外面涂上橡胶作保护层,做了一个气胎。这种气胎缠在车轮上,要修补内管的刺孔,必须首先用苯把涂的橡胶剥下来,修好后再涂上橡胶。这种新轮胎一开始受到人们的嘲笑,但他的儿子骑此车参加比赛获得了第一名,于是此项发明受到人们的重视。邓洛普为他的发明申请了专利,并放弃了兽医职业,建立了世界上第一家轮胎制造厂,开始生产橡胶轮胎。从1894年起,早期大批量生产的“希尔德布兰德”和“沃尔米勒”牌摩托车正式使用了邓洛普轮胎。
早期在行车中若遇到爆胎,驾驶员从车轮上拆下或装上内胎非常困难,很多时候需要专门的修理工才能完成。1904年,克莱斯勒采用了可拆式轮圈,以便于驾驶员在行车途中快速换胎。
以前,平滑的轮胎在潮湿的路面经常打滑,驾驶员在行车中得携带绳子,用来缠绕在轮胎上以增强牵引力。直到1908年,固特异公司发明了能在轮胎上刻出花纹的机器,制造出防滑轮胎,这一问题才得到解决。1908年,米其林公司研制出了双式车轮,有效地解决了重型汽车的轮胎负荷问题;1937年,米其林公司又研制出了子午线轮胎,这种命名为“蝇笼”的轮胎胎面,由多层帘布层加强,并用分层钢丝帘线层箍紧。这些帘线层均与轮胎钢丝垂直排列,极大地改善了轮胎行驶方向的稳定性。1948年,美国古德奇公司制成了汽车无内胎轮胎。1981年,英国邓洛普公司又发明了一种新型轮胎,在穿孔的情况下汽车仍可继续行驶,而轮胎不会从轮辋上脱出,胎冠内表面涂有聚凝胶,既是密封剂,又是润滑剂。
目前,为提高轮胎使用寿命,降低油耗,适应汽车行驶速度高、安全性和舒适性的要求,如今汽车轮胎发展趋势是子午线、无内胎化和扁平化。
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