变速箱方案设计书操纵机构大学本科方案设计书.docx
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变速箱方案设计书操纵机构大学本科方案设计书
§1.1选题及意义...............................
§1.2变速器的类型及发展.............................
§1.3本次设计的主要内容....................
第二章 变速器主操纵部分结构与原理............
§2.1变速器操纵机构类型............................
§2.2操纵机构结构....................
§2.3锁止原理..............................
第三章 两杆变速器操纵部分设计................
§3.1设计参数............................
§3.2齿轮设计与计算..............................
§3.3轴的设计与计算..............................
§3.4同步器的设计与计算.........................
§3.5箱体设计..............................
第四章 总结与展望........................
§4.1总结............................
§4.2展望........................................
参考文献..................................................
致谢......................................................
第一章 机械式变速器的概述
1.1选题及意义
现在,每当人们观看F1大赛,总会被那种极速的感觉所折服。
此刻,大家似乎谈论得最多的就是发动机的性能以及车手的驾驶技术。
而且,不忘在自己驾车的时候体会一下极速感觉或是在买车的时候关注一下发动机的性能,这似乎成为了横量汽车品质优劣的一个标准。
的确,拥有一颗“健康的心”是非常重要的,因为它是动力的缔造者。
但是,掌控速度快慢的,却是它身后的变速器。
1.2变速器的类型及发展
从现在市场上不同车型所配置的变速器来看,主要分为:
手动变速器(MT)、自动变速器(AT)、手动/自动变速器(AMT)、无级变速器(CVT)。
一、手动变速器(MT)
手动变速器(ManualTransmission)采用齿轮组,每档的齿轮组的齿数是固定的,所以各档的变速比是个定值(也就是所谓的“级”)。
比如,一档变速比是3.85,二档是2.55,再到五档的0.75,这些数字再乘上主减速比就是总的传动比,总共只有5个值(即有5级),所以说它是有级变速器。
曾有人断言,繁琐的驾驶操作等缺点,阻碍了汽车高速发展的步伐,手动变速器会在不久“下课”,从事物发展的角度来说,这话确实有道理。
但是从目前市场的需求和适用角度来看,笔者认为手动变速器不会过早的离开。
首先,从商用车的特性上来说,手动变速器的功用是其他变速器所不能替代的。
以卡车为例,卡车用来运输,通常要装载数吨的货品,面对如此高的“压力”,除了发动机需要强劲的动力之外,还需要变速器的全力协助。
我们都知道一档有“劲”,这样在起步的时候有足够的牵引力量将车带动。
特别是面对爬坡路段,它的特点显露的非常明显。
而对于其他新型的变速器,虽然具有操作简便等特性,但这些特点尚不具备。
其次,对于老司机和大部分男士司机来说,他们的最爱还是手动变速器。
从我国的具体情况来看,手动变速器几乎贯穿了整个中国的汽车发展历史,资历郊深的司机都是“手动”驾车的,他们对手动变速器的认识程度是非常深刻的,如果让他们改变常规的做法,这是不现实的。
虽然自动变速器以及无级变速器已非常的普遍,但是大多数年轻的司机还是崇尚手动,尤其是喜欢超车时手动变速带来的那种快感,所以一些中高档的汽车(尤其是轿车)也不敢轻易放弃手动变速器。
另外,现在在我国的汽车驾驶学校中,教练车都是手动变速器的,除了经济适用之外,关键是能够让学员打好扎实的基本功以及锻炼驾驶协调性。
第三,随着生活水平的不断提高现在轿车已经进入了家庭,对于普通工薪阶级的老百姓来说,经济型轿车最为合适,手动变速器以其自身的性价比配套于经济型轿车厂家,而且经济适用型轿车的销量一直在车市名列前茅。
例如,夏利、奇瑞、吉利等国内厂家的经济型轿车都是手动变速的车,它们的各款车型基本上都是5档手动变速。
二、自动变速器(AT)
自动变速器(AutomaticTransmission),利用行星齿轮机构进行变速,它能根据油门踏板程度和车速变化,自动地进行变速。
而驾驶者只需操纵加速踏板控制车速即可。
虽说自动变速汽车没有离合器,但自动变速器中有很多离合器,这些离合器能随车速变化而自动分离或合闭,从而达到自动变速的目的。
在中档车的市场上,自动变速器有着一片自己的天空。
使用此类车型的用户希望在驾驶汽车的时候为了简便操作、降低驾驶疲劳,尽可能的享受高速驾驶时快乐的感觉。
在高速公路上,这是个体现地非常完美。
而且,以北京市来说,现在的交通状况不好,堵车是经常的事情,有时要不停地起步停步数次,司机如果使用手动档,则会反复地挂档摘档,操作十分烦琐,尤其对于新手来说更是苦不堪言。
使用自动档,就不会这样麻烦了。
在市场上,此类汽车销售状况还是不错的,尤其是对于女性朋友比较适合,通常女性朋友驾车时力求便捷。
而我国要普及这种车型,关键要解决的是路况问题,现在的路况状况不均匀,难以发挥自动档汽车的优势。
三、手动/自动变速器(AMT)
其实通过对一些车友的了解,他们并不希望摒弃传统的手动变速器,而且在某些时候也需要自动的感觉。
这样手动/自动变速器便由此诞生。
这种变速器在德国保时捷车厂911车型上首先推出,称为Tiptronic,它可使高性能跑车不必受限于传统的自动档束缚,让驾驶者也能享受手动换档的乐趣。
此型车在其档位上设有“+”、“-”选择档位。
在D档时,可自由变换降档(-)或加档(+),如同手动档一样。
自动—手动变速系统向人们提供两种驾驶方式—为了驾驶乐趣使用手动档,而在交通拥挤时使用自动档,这样的变速方式对于我国的现状还是非常适合的。
笔者曾在上面提到,手动变速器有着很大的使用群体,而自动变速器也能适应女士群体以及解决交通堵塞带来的麻烦,这样对于一些夫妻双方均会驾车的家庭来说,可谓是兼顾了双方,体现了“夫妻档”。
虽然这种二合一的配置拥有较高的技术含量,但这类的汽车并不会在价格上都高不可攀,比如广州本田飞度1.3LCVT两厢、南京菲亚特2004派力奥1.3HLSpeedgear、南京菲亚特西耶那SpeedgearEL这些“二合一”的车型价格均在10万元左右,这个价格层面还比较低的。
所以,手动/自动车在普及上还是具有相当的优势。
而汽车厂商和配套的变速器厂家应该以此为契机,根据市场要求精心打造此类变速器。
因为这类变速器是有比较广阔的市场的。
四、无级变速器
当今汽车产业的发展,是非常迅速的,用户对于汽车性能的要求是越来越高的。
汽车变速器的发展也并不仅限于此,无级变速器便是人们追求的“最高境界”。
无级变速器最早由荷兰人范·多尼斯(VanDoorne’s)发明。
无级变速系统不像手动变速器或自动变速器那样用齿轮变速,而是用两个滑轮和一个钢带来变速,其传动比可以随意变化,没有换档的突跳感觉。
它能克服普通自动变速器“突然换档”、油门反应慢、油耗高等缺点。
通常有些朋友将自动变速器称为无级变速器,这是错误的。
虽然它们有着共同点,但是自动变速器只有换档是自动的,但它的传动比是有级的,也就是我们常说的档,一般自动变速器有2~7个档。
而无级变速器能在一定范围内实现速比的无级变化,并选定几个常用的速比作为常用的“档”。
装配该技术的发动机可在任何转速下自动获得最合适的传动比。
本次设计的主要内容
本设计的任务是设计一台用于轿车上的FR式的手动变速器。
本设计采用中间轴式变速器,该变速器具有两个突出的优点:
一是其直接档的传动效率高,磨损及噪声也最小;二是在齿轮中心距较小的情况下仍然可以获得较大的一档传动比。
根据轿车的外形、轮距、轴距、最小离地间隙、最小转弯半径、车辆重量、满载重量以及最高车速等参数结合自己选择的适合于该轿车的发动机型号可以得出发动机的最大功率、最大扭矩、排量等重要的参数。
再结合某些轿车的基本参数,选择适当的主减速比。
根据上述参数,再结合汽车设计、汽车理论、机械设计等相关知识,计算出相关的变速器参数并论证设计的合理性。
它功用是:
①改变传动比,扩大驱动轮转矩和转速的变化范围,以适应经常变化的行驶条件,如起步、加速、上坡等,同时使发动机在有利的工况下工作;②在发动机旋转方向不变的前提下,使汽车能倒退行驶;③利用空档,中断动力传递,以使发动机能够起动、怠速,并便于发动机换档或进行动力输出。
这台变速器具有五个前进档(包括一个超速档五档)和一个倒档,并通过锁环式同步器来实现换档。
关键词:
变速器,互锁,自锁,拔叉,操纵杆
第二章 变速器主操纵部分结构与原理
2.1变速器操纵机构类型
变速器操纵机构的功用是使驾驶员能够根据道路情况准确可靠地挂上或摘下变速器某个档位,以保证汽车行驶安全
变速器操纵机构按距离驾驶员座位的愿景,可以分为直接操纵机构和远距离操纵机构。
(1)直接操纵机构
如果变速器布置在驾驶员座位附近,则变速杆可以从驾驶室底板伸出,由驾驶员直接操纵。
何种操纵机构被称为直接操纵机构。
它一般由变速杆、拔块、拔叉、拔叉轴以及安全装置等组成,多集装于变速器上盖或侧盖内,机构简单,操纵方便。
(2)远距离操纵机构
当变速器在汽车上布置的位置离驾驶员位置较远时,则需要在变速杆与拔叉等内部操纵机构之间加装一套传动架构或辅助杠杆(即外部操纵机构)。
这种操纵机构称为远距离操纵机构(或间接操纵机构)。
为保证换挡准确可靠,该操纵机构应有足够的刚度,而且各连接件间隙不能过大,否则换挡时手感不明显。
它多用于轿车和轻型平头汽车上。
2.2操纵机构结构
设计操纵机构首先要确定换档位置图。
换档位置图的确定主要从换档方便考虑为此应注意以下三点:
①按换档次序来排列;
②将常用档放在中间位置,其它档放在两边;
②为了避免误挂倒档,往往将倒档安排在最靠边的位置,有时与I档组成一排。
图3-3换档位置图
2.2.1变速杆
变速器操纵杆简称变速杆,又称排档杆,是变速器的操纵控制机件,用以接合或分离变速器内各档齿轮,从而改变传递的转矩和转速及运转方向,使得汽车前进或倒退。
变速杆中部具有球面,支承在变速器盖内,变速杆上部在驾驶室内。
扳动变速杆时,变速杆以球面为支点,使变速杆下端作横向运动,伸入—个变速拨叉顶部凹槽中,然后变速杆再作纵向运动,通过变速拨叉移动挂档齿轮,与所挂档位的齿轮啮合,挂入档位。
一般来说,操纵杆通常位于驾驶员座位的旁侧。
然后,根据操纵杆安装尺寸图、球形手柄内孔尺寸和操纵器与变速杆装配孔的尺寸来设计、制造操纵杆。
设计时必须综合考虑批量、经济性、交货期和制造工艺等因素。
为了防尘,应加防尘罩,但还应考虑在一定程度上隔绝车外的噪声、热量,甚至是溅水,必要时可加装两级防尘罩。
2.2.2变速拨叉和轴
变速拨叉用螺钉固定在拨叉轴上,下端伸入挂档齿轮(或接合齿套)的环槽内。
拨叉轴可以沿轴向移动。
空档时,各拨叉顶部凹槽都对齐,使变速杆下端可作横向移动,伸入所挂档位的拨叉凹槽内。
2.3锁止原理
自锁机构的作用是:
防止自动换档和自动脱档的作用
互锁机构的作用是:
防止同时挂入两个档。
自锁,是在接触器线圈得电后,利用自身的常开辅助触点保持回路的接通状态,一般对象是对自身回路的控制。
如把常开辅助触点与启动的电动开关并联,这样,当启动按钮按下,接触器动作,辅助触电闭合,进行状态保持,此时再松开启动按钮,接触器也不会失电断开。
一般来说,在启动按钮和辅助按钮并联之外,还要在串联一个按钮,起停止作用。
点动开关中作启动用的选择常开触点,做停止用的选常闭触点。
互锁,说得是几个回路之间,利用某一回路的辅助触点,去控制对方的线圈回路,进行状态保持或功能限制。
一般对象是对其他回路的控制。
联锁,就是设定的条件没有满足,或内外部触发条件变化引起相关联的电气、工艺控制设备工作状态、控制方式的改变。
“在一个回路中,即有自锁又有互锁的就叫做“联锁””
锁止装置包括自锁、互锁和倒档锁。
l.自锁装置
l)结构:
多数变速器的自锁装置由钢球l和弹簧2组成(图10-20)。
在变速器盖6前端凸起部位钻有三个深孔,位于三根拨叉轴3的上方。
每根拨叉轴对着钢球l的一面有三个凹槽(槽的深度小于钢球半径),中间的凹槽为空档定位,中间凹槽至两侧凹槽的距离等于滑动齿轮(或接合套)由空档换入相应档(保证全齿长啮合)的距离。
2)工作:
自锁钢球被自锁弹簧压入拨叉轴的相应凹槽内,起到锁止档位的作用,防止自动换档和自动脱档。
换档时,驾驶员施加于拨叉轴上的轴向力克服弹簧与钢球的自锁力时,钢球便克服弹簧的预压力而升起,拨叉轴移动,当钢球与另一凹槽处对正时,钢球又被压入凹槽内,此动作传到操纵杆上,使驾驶员具有“手感”。
l-定位钢球;2-定位弹簧;3-拨叉轴;4-互锁顶销;5-互锁钢球(或互锁销);6-变速器盖
2.互锁装置
此装置的类型很多,下面列举几种,说明其构造及机理。
l)锁球(销)式
(l)结构:
图10-20所示属于这种型式。
在三根拨叉轴所处的平面且垂直于拨叉轴的横向孔道内,装有互锁钢球5(图10-20a)或互锁销5(图10-20b)。
互锁钢球(或互锁销)对着每根拨叉轴的侧面上都制有一个凹槽且深度相等。
中间拨叉轴的两侧各有一个凹槽。
任一拨叉轴处于空档位置时,其侧面凹槽正好对准互锁钢球(或互锁销)。
两个钢球直径之和(或一个互锁销的长度)等于相邻两拨叉轴圆柱表面之间的距离加上一个凹槽的深度。
中间拨叉轴上两个侧面之间有通孔,孔中有一根横向移动的顶销4,顶销的长度等于拨叉轴的直径减去一个凹槽的深度。
(2)互锁原理:
当变速器处于空档位置时,所有拨叉轴的侧面凹槽同钢球、顶销都在同一直线上。
在移动中间拨叉轴2时(图10-21a),轴2两侧的钢球从其侧面凹槽中被挤出,两侧面外钢球4、6分别嵌入拨叉轴l和3的侧面凹槽中,将轴l和3锁止在空档位置。
若要移动拨叉轴3,必须先将拨叉轴2退回至空档位置,拨叉轴3移动时钢球4从凹槽挤出,通过顶销5推动另一侧两个钢球移动,拨叉轴l、2均被锁止在空档位置上(图10-21b)。
拨叉轴l工作情况与上述相同(图10-21c)。
图10-21钢球式互锁装置工作原理图
l、2、3-拨叉轴;4、6-互锁钢球;5-互锁顶销;7、8、9-拨叉(或拨块);10-变速杆下端球头
上述互锁装置工作情况可知,当一根拨叉轴移动的同时,其它两根拨叉轴均被锁止。
但有的变速器互锁装置没有顶销,当某一拨叉轴移动时,只要锁止与之相邻的拨叉轴,即可防止同时换入两个档。
2)自锁和互锁装置合二为一的互锁装置
有的三档变速器,操纵机构有两根拨叉轴,将自锁和互锁装置合二为一(图10-22)。
两根空心锁销l内装有自锁弹簧2,在图示位置(空档)时,两锁销内端面的距离a等于槽深b,不可能同时拨动两根拨叉轴。
自锁弹簧2的预压力和锁销l对拨叉轴起到自锁作用。
l-锁销;2-自锁弹簧
3)转动钳口式
转动钳口式互锁装置如图10-23所示。
变速杆下端球头置于钳口中,钳形板可绕a轴摆动。
换档时,变速杆先拨动钳形板处于某一拨叉轴的拨叉凹槽中,然后换入需要的档位,其余两个换档拨叉凹槽被钳形爪挡住,起到互锁作用。
l-变速杆;2-钳形板
总之,不论哪类互锁装置,其工作原理是一致的,即每一次只能移动一根拨叉轴,其余拨叉轴均在空档位置不动。
3.倒档锁
倒档锁的作用是使驾驶员必须对变速杆施加较大的力,才能挂入倒档,起到提醒作用,防止误挂倒档,提高安全性。
多数汽车变速器采用结构简单的弹簧锁销式倒档锁(图10-24)。
它由一、倒档拨块(五档变速器)中的锁销l和弹簧2组成。
锁销l杆部装有弹簧2,杆部右端的螺母可调整弹簧2的预压力和锁销的长度。
欲换倒档(或一档)时,须用较大的力向一侧摆动变速杆4,推动倒档锁销l压缩弹簧后,变速杆4下端进入拨块3才能实现换档。
只要换入倒档,其拨叉轴就接通装在变速器壳上的电开关,警告灯亮、报警器响(有的汽车仪表盘上有倒档指示灯),有效地防止误挂倒档。
图10-20 变速器的自锁及互锁装置
图10-20变速器的自锁及互锁装置
图10-21钢球式互锁装置工作原理图
图10-22同时起自锁与互锁两重作用的锁止装置
l-锁销;2-自锁弹簧
图10-23转动钳口式互锁装置
l-变速杆;2-钳形板
锁环式同步器的组成:
锁环式同步器结构图
1和4-接合齿;2和11-滑块;3-拨叉;5和9-锁环;12-锁环上缺口(三个)
8-接合套;7-花键毂;6-弹簧圈
2.4弹簧锁销式倒档锁
多数汽车变速器采用结构简单的弹簧锁销式倒档锁(图3-8)。
由一、倒档从拨叉块2中的倒档锁销4及弹簧3组成。
因此驾驶员要挂一档或倒档时,必须用较大的力使变速柠1曲下端压缩弹簧3,将锁销4推向右方后,才能使变速扦下端进入拨块2的凹槽内。
以拨动一、倒档拨叉轴而挂入一档或倒档。
图3-8锁销式倒档锁装置图3-9锁片式倒档锁装置
l-变速杆;2-倒档拨块;3-倒档锁弹簧;4-倒档锁销1-手柄;2-变速杆;3-拉杆;4-簧;5-倒档锁片;6-倒档锁拨块;7-三、四档拨叉;8—二档拨叉
第三章 两杆变速器操纵部分设计
3.1设计参数
本设计是根据桑塔纳2
的车型而开展的,设计中所采用的相关参数均来源于此种车型:
最高时速:
175
kmh
轮胎型号:
1956
R14
发动机型号:
74千瓦4缸2气门电子控制多点喷射汽油机(AYJ)
最大扭矩:
155Nm38
rpm
最大功率:
7452
最高转速:
5
rmin
主要参数
人手操纵力:
35N;
换档杆长度:
25
mm;
选档轴力矩:
25Nm;
换档轴力矩:
15Nm;
换档摇臂长度:
8
mm;
选档摇臂长度:
8
mm。
手柄操纵力:
66N
因为换档摇臂在完成换档任务时,操纵杆和摇臂之间的运动关系较操纵杆和选档摇臂的运动关系更简单明了,且易于计算,所以选择通过换档计算手柄支点,而不是通过选档来计算。
B66N
35
A
C80mm
15Nm
图4-2
已知:
操纵力为:
66N;换档摇臂长度为:
80mm,所需力矩为:
,
如图4-2,设AO=x,则有:
为了设计和制造方便,这里取
。
变速器远距离外操纵机构
1-变速杆2-纵向拉线3-横向拉线
在发动机后置或前轮驱动的汽车上,通常汽车变速器距离驾驶员座位较远,变速杆和变速器之间通常需要用连杆机构联接,进行远距离操纵。
(1)操纵杆材料:
考虑到制造成本,参考现有相关零件的材料,我们这里选A级Q235钢作为其制造材料。
Q235钢是应用最广泛的一种碳素结构钢,多用于制作薄板、钢筋、各种型材和受力不大的机器零件,如拉杆、连杆、小轴等。
(2)确定操纵杆直径
轿车:
依发动机排量(V)划分为:
微型轿车(V≤1升)普通轿车(1升<V≤1.6升)中级轿车(1.6升<V≤2.5升)中高级轿车(2.5升<V≤4升)高级轿车(V>4升)8.半挂车:
依公路运行时厂定最大总质量(GA)划分为:
轻型半挂车(GA≤7.1吨)中型半挂车(7.1吨<GA≤19.5吨)重型半挂车(19.5<GA≤34吨)超重型半挂车(GA>34吨)
经比较,中型汽车换档杆直径一般均在
以下,所以Q235钢的屈服极限选为
(直径≤
),
。
因为操纵杆布置在汽车驾驶室里,存在很多不确定因素,可能使操纵杆不能正确、有效地工作,所以为了确保其使用时的可靠性,需选择安全系数
。
考虑到操纵杆的实际工作情况,这里选
。
∵
∴
∵材料需满足剪切强度条件,即
,
∴
又∵
,
∴
,
即操纵杆的直径只要:
即可。
3.4箱体设计
第四章 总结与展望
4.1总结
换档操纵机构作为变速器的控制装置,和汽车能否正常行驶关系密切。
一套设计合理、工作可靠的换档机构仅管不及发动机在整车中的地位,但却是每辆汽车缺一不可的。
鉴于设计思想和总体布置的原因,以及软轴的诸多优势,我们在微型汽车上采用双软轴的换档操纵设计。
因为驾驶员在换档过程中和换档操纵机构直接接触,所以,设计换档机构必须考虑到人的因素,不能脱离人而盲目设计。
通过这次对轻型汽车换档操纵机构的设计,使我明白,汽车上的任何零部件,不管其是关键的,还是次要的;不管其是大的,还是小的,它的设计都是一个复杂、系统的过程,必须采取合理的方法设计、计算,并进行必要的校核甚至实验,因为设计中一个极小的纰漏或错误都可能造成不可估量的损失。
在设计时,还应注意产品的系列化、零部件通用化及零件设计的标准化,即“三化”问题。
另外,选用零件的时候,也应注意尽量选择标准件。
除此之外,通过这次设计,还让我对汽车的变速器、变速器操纵机构有了进一步的认识;了解了目前国内外变速器及其操纵机构的先进技术和发展趋势,同时也了解了我国微型汽车的发展现状。
综上所述,在换档操纵机构的设计计算中,对操纵杆和软轴的计算、校核显得尤为重要,如果在强度、刚度上达不到设计使用的要求,必然会使其在工作中出现操作失效的结果,轻则造成车辆不能正常行驶,重则会影响人们的生命财产安全。
因此,尽管换档操纵机构在车辆的设计、制造过程中,不属于关键部件,但倘若它不能有效地工作,同样会给车辆的正常行驶带来巨大影响,甚至给人的生命财产造成威胁。
通过对设计的计算校核,让我对以前所学的理论知识进行了一次梳理,发现了自己知识结构上的漏洞,并通过这次设计的机会,在即将走出校园之前,进行了及时地查漏补缺,为以后走上工作岗位起到了一定的积极作用。
当然,在本次设计任务中也还存在不少问题。
由于不少零件还没有国家标准,所以很多时候参考的数据为制造企业的企业标准,有的数据甚至是在实验室通过对实物的测量比较得出的,因而对最终的计算结果是否满足使用要求,还有待于通过实验验证。
同时,在一些计算环节忽略了对个别细小零件的计算校核,如:
螺旋扭转弹簧等,这些零件在具体的制造时可通过经验选取。
4.2展望
变速器是汽车非常重要的一个配置,对汽车的操控性、舒适型以及燃油经济性都起到很重要的作用,其占汽车制造成本的7%。
随着我国汽车消费者对汽车认识的不断提升,变速器已经开始影响消费者行为。
在过去的10年我国主要致力于研究开发发动机技术,而变速器将很可能是未来10年的研发热点。
而变速器的发展趋势也就成了大家关注的热点。
从全球范围来看,主要的几种自动变速器是AMT(手自一体)、AT(自动)、CVT(无级变速)和DCT(双离合变速器),它们各有优缺点。
AT的节能效果差一些,但是舒适性好,元器件可靠性高,其生产历史长,使用范围大。
CVT适合小型车,AMT在换挡时会有短暂的中断,舒适性差一些。
DCT结合了手动变速器的燃油经济性和自动变速器的舒适性,它是从传统的手动变速
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