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现代车辆设计介绍
到车辆的后部并驱动后轮。如果发动机在后轴的前面，则这通常被称为发动机中置。图13.1(e)所示的最后一个例子是在越野车中经常使用的四轮（或全轮）驱动系统。这些高度更高的车辆允许发动机安装在前轴线上方，前差速器旁边。它的变型也从变速箱直接驱动到后轴的直接驱动。这些通常通过传动齿轮箱设计来区分。“双偏移”是示出的和“单偏移”，其中对后轴的驱动与齿轮箱输出轴成一直线。还可以从两个轮驱动布局导出四轮驱动配置。例如，从标准横向布局的前差速器（图13.1(a)）添加一个纵向推进器轴到一个额外的后差速器。有更多的前轮和后轮驱动变型比这里包括，但这些变型占在路上的车辆的绝大多数。
所采用的车辆布局对于传动本身以及必要的控制和互连具有影响。 这些包括差速器被包括在与变速器相同的壳体中并且消除对附加壳体的需要的机会。 然而，变速器和差速器齿轮必须共享相同的润滑流体。 对于手动变速箱，对于中置发动机（和其它后置发动机）布局，变速连杆的路线可能更复杂。 这些在辅助和冷却系统布局中也具有更大的复杂性，在第13.6节中的环境考虑中更详细地讨论。 对于横向布局也具有特定的燃料经济性优点，其不必将驱动方向转过直角。 这消除了比平行轴传动齿轮效率低的锥齿轮组。
13.2.2从静止开始
由于内燃机不能在零速度下提供扭矩，因此在变速器中需要一种装置，该装置将使得车辆能够从静止状态开始，并且在不需要推进时，使发动机和车轮之间的驱动脱开。 在汽车变速箱中使用几种装置来实现：
bull;单片干式摩擦离合器 - 常用于汽车手动变速箱。
bull;多片，湿式（油浸式）离合器 - 常用于摩托车，变速器和一些大型重型自动变速器。
bull;流体飞轮 - 今天很少使用。
bull;变矩器 - 用于大多数自动变速箱。
bull;电磁离合器 - 再次用于一些变量变速箱。
这些装置安装在发动机输出和变速器输入之间。 干式离合器和变矩器的设计和应用分别在关于手动和自动变速器的部分中讨论。 应当指出的是，在自动变速器中经常使用较小的多片式离合器以断开或连接特定的齿轮，并因此允许所需的齿轮变化，这些应用不具有使车辆停止起动的能力。
13.2.3车辆要求 - 动力传动系统必须提供什么
如果我们考虑扭矩要求（在发动机和传动系上），有许多作用在车辆车身上的力必须克服：
bull;轮胎的滚动阻力。
bull;车身的空气动力阻力。
bull;爬坡的阻力。
bull;在车辆加速时克服车辆（整体）和旋转部件的惯性。
最后一点表明，发动机还必须加速其自身的惯性，这种效应在较低档位中特别显着。考虑在稳态条件期间发生的前三个：
总运行阻力=
其中=滚动阻力=fmg
=车辆质量，kg
f =滚动阻力系数，对于正常道路通常约为0.013至0.015，然而它随速度增加。
g = 9.81-重力加速度
=空气动力阻力=
=空气密度-通常为1.2至1.3（后者处于“标准温度和压力”）
=阻力系数，对于许多车辆来说通常在0.3到0.4左右。
A =以计的车辆前部面积
=车辆速度， =逆风速度，单位为
=攀登阻力=
=正在爬升的坡度（度）
除了这些之外，发动机还必须克服来自车辆可能正在做的“工作”的任何阻力，例如牵引拖车。 在越野行驶时，车辆还必须克服由软地面提供的阻力。 这可以变化很大并且取决于土壤的类型，土壤是多湿的以及其他因素，例如地面是如何扰动或压实的。作用在车辆上的这些附加力在极端情况下可以大到防止车辆移动，严重限制其能够获得或超过来自轮胎的可用牵引力的速度。
图13.2显示了一系列车辆的滚动阻力和气动力如何与增加的道路速度相加的例子。 这假设水平道路上的风速为零。 例如，如果车辆正在爬坡，则线将向上移动恒定的量。 在这个图上可以看到一些有趣的事情：
bull;首先，只比较不同车的总阻力。 可以看出，车辆的总体大小和差异随着速度而显着增加。
bull;比较Mini的旧设计和更新的Lupo之间的区别，这在速度上变得夸张了。 阻力系数随着速度的增加具有更显着的效果。
bull;由高重量产生的非常大的负荷与车辆的大的前部面积组合。
bull;可以看出中型和大型汽车之间的差异随着速度的增加而交叉。 较重的大型汽车在低速下是最高的阻力负载，但是由于更好的空气动力学性能，在更高的速度下获得了优势，这几乎可以通过更长的躯体长度和躯体形式得到帮助。
传动负载
必须克服的总滚动阻力是作用在车辆上的负载。 这被视为在驱动轮处的扭矩需求，其可以在已知轮胎的动态滚动半径的情况下计算：
车轮扭矩= times;滚动半径（m）
应注意有多少轮共享驱动器; 因此由传动系的任何一个部分看到的扭矩可能不是整个数字。 然而，主变速箱总是看到整个发动机扭矩，因此当考虑到这一点时可以忽略驱动轮的数量。
然后考虑传动比和效率，可以在传动系统上计算该扭矩值以（在离合器或曲柄的端部）提供在发动机处所需的扭矩。 通过考虑车轮的滚动半径和变速器中的传动比，还可以计算发动机速度。
存在确定要选择的传动比的车辆必须操作的各种条件。 这些可能由于变速器内的某些实际考虑而被修改，但是为了这个目的，我们可以考虑初始要求，以便确定为变速器设置的传动比。
13.2.4变速比 - 变速器与车辆的匹配
重要的是要意识到，变速器中的齿轮比的选择在实践中经常由可用的或已经在生产中的东西决定。这种情况的发生是因为在制造新的齿轮组以及安装或修改制造工厂以制造新的部件所涉及的大量费用。然而，在一些情况下，需要改变。这些可以包括发动机的变化，例如从汽油到柴油，或者对于其中将安装变速箱的车辆的重量的显着变化。显然，车辆制造商中可用的资金和所涉及的量将对该决定具有非常大的影响。在可以适应变化的情况下，它们可以被限制为一个或两个传动比，从而保留中间比率，因此不一定被优化。最后，在看看如何选择“理想”比率之前，选择是齿轮设计本身。例如，在第一齿轮对上，其中可能存在驱动小齿轮可能有多小的限制，以便承受可能在齿轮箱中发生的冲击负载。
在决定在特定变速器单元中应该安装什么齿轮比时需要做出许多决定。 对于手动变速器，自动变速器和CVT，必须进行类似的过程。 由于变矩器和/或换档图的作用，在自动或CVT中存在更多的灵活性。 除了传动比之外，这些还影响在操作状态中的任何点处的有效总体比率。 必须考虑的因素是：
bull;车辆的性能要求。
bull;车辆的重量，滚动阻力和其他参数。
bull;传动设计的限制。
bull;如果必须更换套管，则在车辆和发动机辅助设备上的包装限制。
bull;可用性 - 如上所述。
车辆的性能很少，只是最高的速度和加速度的问题！
选择最低比率 - 1档
这决定了车辆的起动性能，并取决于：
bull;需要爬坡的坡度 - 最坏的情况。
bull;车辆的总重（满载）。
bull;所需的任何拖车的重量。
bull;发动机在低发动机转速下的特性，即在加压发动机上有效空气进口的“最小发动机转速”。
选择最高传动比-乘用车通常为5级
bull;发动机特性。
bull;邮轮经济要求。
bull;齿轮性能？司机是否希望在超车时换档？
bull;在顶部或下一个档位（通常为4档）实现最高速度 - 顶档是否为“超速档”？
中间齿轮通常间隔开以在这些极限之间提供均匀，舒适的展开。 理论上，通常选择比率以在齿轮之间给出恒定速度或变化的速度增量。 通过使用恒定的速度增量，每当驾驶员改变时，发动机将通过一致的速度变化而减小。 例如，如果驾驶员在每次达到时加速变化，例如3000转/分钟，则在每个换档之后发动机转速将是相同的。 以可变速度增量，这不是这种情况，通常意味着随着较高档位被接合，每个换档的发动机速度的变化将逐渐变小。 图13.3说明了这一点。 “升档”点示出为用于说明的常数，但是这在实践中显然不一定如此。
所选择的变速器的特定车辆要求或限制可以修改该间距，例如由于：
bull;复杂性要求 - 现有比率集可能限制新车辆的选择，特别是对于较小车辆。
bull;在齿轮加速要求中 - 在某些车辆速度下提供特定特性，例如，实现0-60mph / 100kph而没有太多的齿轮变化。
bull;齿轮尺寸的套管限制。
bull;排放和燃料经济性要求，即在法定驾驶周期内的发动机条件。
bull;特定发动机或传动系速度下的改进问题。
所有这些因素将实际上影响齿轮比的选择，并且可能导致对于给定车辆计算的“理想”比率集合与在现有车辆上可使用的比率之间的折衷。
在将变速器与车辆匹配时的考虑的示例
对于这个例子，我们将看看当需要考虑的一些因素
设计一个公路车的变速箱，在这种情况下一个大的。
考虑图14.2中车辆的滚动阻力。 对于轮胎采用0.375m的滚动半径，可以计算在该范围内的任何道路速度下车轮所需的扭矩。 考虑图13.4 - 这是大型汽油发动机的燃料消耗量图表。（可以通过恒定燃料流的线的顶部画出轮廓线以指示最大扭矩线）。
将一些车辆传动细节视为：
最终传动比4.2
第五档0.75
第四节1.0
第三节1.4
绘制120公里/小时（高速公路）的发动机条件，假设变速器系统损失，给出了不同档位的曲线图所示的发动机条件。 在该速度下所需的牵引力为1100N; 这等于在车轮处需要的413Nm（总）的扭矩。 理论上，在我们的4times;4示例的情况下，在每个车轮处这将是标称的103Nm。
我们还可以计算车轮，变速箱和发动机以这个速度旋转多快。 滚动半径（上）表示车辆每转425圈，车辆行驶1公里。 （有时，对于给定的道路速度，考虑车轮的速度更容易，在这种情况下，每1km / h为7.1转/分钟）。这意味着我们的车轮将以120转/小时的速度以850转/分钟旋转。
从这些图中可以计算出在120km / h的发动机扭矩和速度，用于所述的各种齿轮。 在各种齿轮中的发动机的操作点显示，随着车辆改变到第4档和第5档，发动机速度下降，扭矩增加并且指示的燃料质量流量减小。 正如我们所预期的，车辆在顶部使用的燃料少于低档。
如果我们添加一个“overdrive”第六速度，比率为0.6，甚至0.5，会发生什么？ 曲线上的线还表示如果将超速传动比添加到齿轮箱，则趋势将如何继续。 结果表明，如果吸收太多，使用的燃料不一定会继续减少。 当速度降低时，发动机条件减小，并且所需的扭矩增加使得可以发现发动机无响应，由于高的发动机负载，需要大的节气门开度和更高的排放。
如果我们现在考虑由动力系提供的牵引力（“力”）如何在每个档位中变化（通过使用上面考虑的发动机的最大扭矩值）。 通过考虑各种传动比，可以将在道路处提供的力与道路负载（总运行阻力）进行比较。 在图13.5中，添加了来自图13.2的原始线（再次考虑4times;4车辆）。 还对允许爬上各种坡度所需的力进行了补偿，因此为不同的坡度增加了额外的总运行阻力线。
对于任何车辆/变速器/发动机组合，可以容易地绘制这些曲线图，只要上述的基本信息是已知的或可以估计的。 所提供的信息多种多样，有用; 如：
bull;可以看到对于不同条件和齿轮可达到的最大速度。在这个例子中，我们可以期望车辆在第4个比第5个更快，因为用于水平地面的牵引力线在低于第4个的速度下穿过可用的力线（并且在我们用较低的齿轮。
bull;可以估计车辆可以在任何一个档位爬升的最大坡度。在这里可以假定，1/5山可以仅仅在第三档爬升，并且最大速度为大约80km / h。
bull;在可用力线刚好高于所需力的情况下，两条线的紧密接近表示发动机存在很少的可用扭矩。所以如果车辆以1比10的梯度，例如40km / h在4档，我们可能期望能够通过查看图表加速到更接近120公里/小时。这两条线非常接近。然而，彼此，表明存在很少的可用于加速车辆质量或加速发动机本身的附加扭矩。至少我们可能期望车辆是相当无反应。
应当注意，在较低的齿轮中，这些图表可以指示可以爬上非常陡峭的山丘。 在实践中，由于离合器的容量和实现正确的发动机条件的困难，可能不可能实际上从诸如这些梯度的任何开始停止。 在两轮驱动车辆上，来自轮胎的可用抓地力也可以是限制因素。 即使在我们考虑的示例中，在实践中，在比例如比3更陡的梯度处需要传动齿轮箱中的低比率。
13.3手动变速箱
大多数驾驶的人都能够描述其中的一个方面。 顾名思义，当使用这种类型的变速箱时，驾驶员必须根据车辆需要在一个齿轮比和另一个齿轮比之间改变。 不同的齿轮具有不同的比率，其允许发动机和车轮之间的不同的相对速度。 这些变速器有几种不同类型;包括用在后轮和四轮驱动车辆中的“横向”或“驱动桥”前轮驱动齿轮箱和“直列”齿轮箱。 四轮驱动车辆将在齿轮箱的后部具有附加的传动单元，以使得能够驱动前轴和后轴。
用途
直列式齿轮箱用于从小型乘用车到大型卡车的各种车辆，而绝大多数横向齿轮箱用于客车和小型货车。 应该注意的是，手动变速箱在美国和日本客车市场上与在欧洲一样普遍。 这对于中小型汽车尤其如此。 在过去，欧洲大多数较大的乘用和商用车辆使用一种类型的手动变速箱。 市场的这一特定领域正在变化，并且变得由自动变速器占主导地位。
优点
bull;通常具有较高的机械效率。
bull;可以说是最省油的变速器，虽然这取决于司机选择最合适的档位。
bull;生产相对便宜 - 可能只有一半的等效自动。
bull;重量轻 - 通常为自动重量的50％至70％
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