汽车变速器的组成和工作原理

(一)变速器的基本组成

图11-19　变速器的构造示意图

1—输入轴;2—箱体;3—变速杆;4—拨叉轴;5—滑移齿轮;6—输出轴;7—拨叉;8—中间传动轴;9—固定齿轮

如图11-19所示,变速器的结构一般由箱体2、动力输入轴1和输出轴6、中间传动轴8、轴上固定齿轮9和滑移齿轮5或滑动接合套、变速杆3、拨叉轴4、拨叉7等零部件组成。视其需要,一般变速器设有倒挡轴、倒挡齿轮及相关操纵机构。

(二)变速机构的型式及工作原理

变速器包括变速传动机构和操纵机构两部分。根据传动型式的要求不同,现有的齿轮式变速传动机构按照变速器轴的数目可分为两轴式、三轴式和组合式三类,其工作原理分别介绍如下。

1.两轴式变速器

在FF方式(发动机前置前轮驱动)或RR方式(发动机后置后轮驱动)的中级和普通级轿车上,由于总布置的需要,采用了两轴式变速器。这种变速器的特点是动力输入轴和动力输出轴相互平行,无中间轴,各前进挡的动力分别经一对齿轮传递。

图11-20所示为奥迪100型轿车的两轴式变速器传动机构简图。

图11-20　奥迪100型轿车变速器传动机构简图

1—输入轴;12—输出轴;2、3、4、9、10—Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ挡主动齿轮;11、13—倒挡主、从动齿轮;14—倒挡齿轮轴;15—倒挡中间齿轮;28、23、22、21、20—Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ挡从动齿轮;5、8、16、19、24、27—同步器锁环;7、18、26—同步器花键毂;6、17、25—同步器接合套;29—主减速器主动锥齿轮;30—半轴

该变速器输入轴1通过离合器与发动机曲轴相连,输出轴12经主减速器将运动和动力传给驱动轮。具有5个前进挡和1个倒挡,并采用锁环式同步器换挡。

在输入轴上,从左向右的齿轮依次为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ挡和倒挡的主动齿轮,其中Ⅲ、Ⅳ挡主动齿轮通过轴承空套在输入轴上,其间设有与输入轴固定联接的同步器花键毂7;Ⅰ、Ⅱ和倒挡主动齿轮与输入轴制成一体。Ⅳ挡齿轮与输入轴为过盈配合。

在输出轴上,从左向右的齿轮依次为上述各前进挡和倒挡的从动齿轮,其中齿轮28、23、20、13均通过轴承空套在输出轴上,且齿轮28与23之间和齿轮20与13之间,分别设有与输出轴固定连接的同步器花键毂26和18;齿轮21、22与输出轴过盈配合。倒挡主动齿轮11、倒挡中间齿轮15和倒挡从动齿轮13位于同一回转平面内。

空挡:当输入轴1旋转时,Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ挡及倒挡的主动齿轮(2、3、10、11)与之同步旋转。Ⅲ、Ⅳ挡主动齿轮(4、9)处于自由状态,可空转(汽车行驶时),也可不动(汽车静止时)。Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ挡和倒挡的从动齿轮(28、23、20、13)随输入轴1的旋转而在输出轴12上空转,输出轴12不被驱动,汽车处于静止或空挡滑行状态。

Ⅰ挡:操纵变速杆通过Ⅰ、Ⅱ挡换挡拨叉使Ⅰ、Ⅱ挡同步器接合套25左移,经Ⅰ挡同步器锁环27作用,使I挡从动齿轮28与Ⅰ、Ⅱ挡同步器花键毂26在接合套25的作用下同步旋转。这样,从离合器传来的动力经输入轴1上的Ⅰ挡主动齿轮2及与其常啮合的从动齿轮28,Ⅰ、Ⅱ挡同步器接合套25和花键毂26,经花键传到输出轴12,直至主减速器。

Ⅱ挡:通过Ⅰ、Ⅱ挡换挡拔叉使Ⅰ、Ⅱ挡同步器接合套25右移,退出Ⅰ挡进入空挡。继续向右推动该换挡拨叉,使Ⅰ、Ⅱ挡同步器接合套25借同步器锁环24的作用,使二挡从动齿轮23与该挡同步器花键毂26同步旋转。发动机传来的动力经输入轴1上的Ⅰ挡主动齿轮3及与其常啮合的从动齿轮23、同步器接合套25和花键毂26经花键传到输出轴12,直至主减速器。

倒挡:要使汽车能倒退行驶,就变速器而言,只要使输出轴12反向旋转即可。为此,在前进传动路线中,加入一套中间齿轮副即可。本变速器在输入轴1与输出轴12之间增设一个倒挡齿轮轴14和一个倒挡中间齿轮(惰轮)15,介于倒挡主动齿轮11和倒挡从动齿轮13之间,并与其处于常啮合状态。倒挡齿轮轴14的两端支承在变速器后壳体上,倒挡中间齿轮15通过滚针轴承空套在该轴上。

Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ挡的传动路线请读者自行分析。

比较而言,两轴式变速器结构简单,前进时只有一对齿轮传动,因而传动效率较高,噪声较低。若传动比要求大,挡位数要求多,势必导致变速器体积庞大且笨重。

2.三轴式变速器

三轴式变速器适应于FR(发动机前置后轮驱动)的布置型式,多用于中型载货汽车。该种变速器设置有第一轴(输入轴)、第二轴(输出轴)和中间轴。第一轴前端通过离合器与发动机曲轴相连,第二轴后端通过凸缘连接万向传动装置,而中间轴则主要用来固定安装各挡的变速传动齿轮。

图11-21所示为东风EQ1090E型汽车的三轴式变速器变速机构简图。

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图11-21　东风EQ1090E型汽车变速器传动机构简图

1—第一轴;2—第一轴常啮合齿轮;3—第一轴齿轮接合齿圈;4、9—接合套;5—Ⅳ挡齿轮接合齿圈;6—第二轴Ⅳ挡齿轮;7—第二轴Ⅲ挡齿轮;8—Ⅲ挡齿轮接合齿圈;10—Ⅱ挡齿轮接合齿圈;11—第二轴Ⅱ挡齿轮;12—第二轴Ⅰ、倒挡滑动齿轮;13—变速器壳体;14—第二轴;15—中间轴;16—倒挡轴;17、19—倒挡中间齿轮;18—中间轴Ⅰ、倒挡齿轮;20—中间轴Ⅱ挡齿轮;21—中间轴Ⅲ挡齿轮;22—中间轴Ⅳ挡齿轮;23—中间轴常啮合齿轮;24、25—花键毂;26—第一轴轴承盖;27—车速里程表传动齿轮

该变速器具有第一轴1(输入轴)、中间轴15和第二轴14(输出轴)。第一轴前端与轴承配合并支承在发动机曲轴后端的内孔中,其上花键部分用以安装离合器从动盘;后端与轴承配合并支承在变速器壳体的前壁上,齿轮2与此轴制成一体。

中间轴两端均用轴承支承在变速器壳体上,其上固定联接齿轮23与齿轮2构成常啮合传动副;齿轮20、21、22分别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ挡主动齿轮并固联其上;与该轴制成一体的齿轮18为Ⅰ挡和倒挡公用的主动齿轮。

第二轴前、后端分别用轴承支承于第一轴后端孔内和变速器壳体的后壁;其上齿轮12是采用花键连接并能通过操纵机构轴向滑动的Ⅰ挡和倒挡公用的从动齿轮;齿轮11、7、6分别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ挡从动齿轮并用轴承支承其上,它们分别与齿轮20、21、22保持常啮合;花键毂24和25分别固定在齿轮11与7和6与2之间;两毂上的外花键分别与带有内花键的接合套9和4连接,且接合套通过操纵机构能沿花键毂轴向左右滑动,可分别实现与齿轮11或7、齿轮6或2上的接合套圈接合。

倒挡轴16上的双联倒挡齿轮17和19采用轴承支承,且齿轮19和18呈常啮合。

如图11-21所示,当第一轴旋转时,通过齿轮2即可带动中间轴及其上所有齿轮旋转。但因从动齿轮6、7、11均采用轴承空套在第二轴上,且接合套4、9和齿轮12均处于中立位置,不与任何齿轮的接合齿圈接合,也不与齿轮18或17接合,第二轴不能被驱动,故变速器处在空挡状态。

使用变速器操纵机构,可知各挡位传动路线如下:

Ⅰ挡:使齿轮12左移与齿轮18啮合,则动力由第一轴依次经齿轮2、23、18、12,最后传到第二轴。

Ⅱ挡:使同步器接合套9右移与齿圈10啮合,则动力由第一轴依次经齿轮2、23、20、11及齿圈10、接合套9、花键毂24,最后传到第二轴。

Ⅲ挡:使同步器接合套9左移与齿圈8啮合,则动力由第一轴依次经齿轮2、23、21、7及齿圈8、接合套9、花键毂24,最后传到第二轴。

Ⅳ挡:使接合套4右移与齿圈5啮合,则动力由第一轴依次经齿轮2、23、22、6及齿圈5、接合套4、花键毂25,最后传到第二轴。

Ⅴ挡:使接合套4左移与齿圈3啮合,则动力由第一轴依次经齿轮2及齿圈3、接合套4、花键毂25,直接传到第二轴。

倒挡:使齿轮12右移与倒挡中间齿轮17啮合,则动力由第一轴依次经齿轮2、23、18、19、17、12,最后传到第二轴。

比较而言,该三轴式变速器第Ⅴ挡常称之为直接挡,即第一轴动力不经中间轴直接传到第二轴,其传动比为1,传动效率最高,亦可获得最高车速。但此外的其他前进挡需经两对齿轮传动,倒挡需经三对齿轮传动,故传动效率有所降低,噪声会有所增大。

3.组合式变速器

重型货车的装载质量大,使用条件复杂。为保证重型汽车具有良好的动力性、经济性和加速性,要求变速器有较多的挡数,以扩大传动比的范围。故常采用两个变速器相串联的方式构成组合式变速器,如图11-22所示。

在组合式两个相串联的变速器中,其中一个为挡数较多且有倒挡的主变速器,另一个为只有高低两挡的副变速器。

图11-22　组合式变速器传动机构示意图

Ⅰ—主变速器;Ⅱ—副变速器;1—输入轴齿轮;2—输入轴;3—第一中间轴;4—第一中间轴驱动齿轮;5—第一中间轴一挡齿;6—倒挡轴;7—倒挡传动齿轮;8—倒挡空套齿轮;9、17—接合套;10—第二中间轴一挡齿轮;11—第二中间轴低速挡齿轮;12—动力输出接合套;13—动力输出轴;14—第二中间轴;15—输出轴;16—输出轴齿轮;18—副变速器输入轴齿轮;19—副变速器输入轴

若主变速器各挡传动比间隔较小,而副变速器的低速挡传动比又较大时,由副变速器高、低速两挡传动比分别与主变速器各挡传动比搭配而组成高、低两段传动比范围,这种配挡方式称为分段式配挡。当主变速器各挡传动比较大,而副变速器低速挡传动比又较小时,组合得到的传动比均匀地插入主变速器各挡传动比之间,这种配挡方式称为插入式配挡。

图11-22所示为常见的一种组合式变速器传动机构示意图。它实质上是由四挡主变速器I和串联安装在主变速器之后的两挡(高速挡和低速挡)副变速器Ⅱ组成(副变速器输入轴19同时也是主变速器输出轴),这样可得到8个前进挡。组合式变速器的传动比i=i'i″,其中i'和i″分别为主变速器和副变速器的传动比。主变速器各挡传动比间隔较小,而副变速器的一挡传动比较大。在换挡时,当变速器接合套17右移并与齿轮18的接合齿圈接合,副变速器即挂入高速挡(直接挡),其传动比为i″=1,主变速器的四个挡位传动比i1～i4即分别等于组合式变速器的四个较小的传动比i5～i8。当接合套17左移并与齿轮16的接合齿圈接合时,副变速器便挂入低速挡,传动比i″1＞1。此时将主变速器分别挂入一、二、三、四挡,便可得到组合式变速器的四个较大的传动比。它仅在四、五挡间换挡时,才需要操纵副变器。

倒挡轴6上有两个齿轮,其中倒挡传动齿轮7与第一中间轴一挡齿轮5啮合,从而保证了倒挡轴随输入轴2旋转。另一倒挡齿轮8空套在倒挡轴上,与副变速器输入轴齿轮18经常啮合。欲将组合式变速器挂入倒挡,应先将主变速器置于空挡,再将接合套9右移,使之与齿轮8的接合齿圈接合。于是,动力便可从输入轴2依次经齿轮1、4、5、7、倒挡轴6、接合套9、齿轮8传到齿轮18。此时,若将接合套17右移,便得到高速倒挡,左移便得到低速倒挡。为了保证倒车安全,常用低速倒挡。

动力输出轴13与第二中间轴14的接合与分离,由动力输出接合套12操纵。