手动变速器工作原理

戴姆勒克莱斯勒供图 奔驰C级轿车的六速手动变速器

如果您开的是用换挡杆换挡的汽车，您脑海中可能会浮现这几个问题：

• 通过换挡按钮换挡的H形跟变速器内的齿轮有什么关系吗？ 移动变速杆时，变速器中哪些部件会移动？
• 因操作不当而听到可怕刺耳的声音时，这个刺耳的声音是从哪里发出的？
• 汽车在高速公路上减速时，如果不小心换到倒挡会出现什么情况？是不是整个变速器都会爆炸？

在本文中，我们将了解手动变速器的内部结构，从而回答以上所有问题以及相关问题。

汽车需要变速器，这是由汽车发动机的物理特性决定的。 首先，任何发动机都有速度极限，转速超过这个最大值，发动机就会爆炸。 其次，如果读过马力及其应用，您就会知道，在马力和扭矩都达到最大值时，发动机的转速变化范围很小。 例如，发动机可能在5,500转/分时产生最大马力。 在汽车加速或者减速时，变速器的存在使发动机与驱动轮之间的齿比能够发生变化。 通过改变齿比，就能使发动机转速保持在速度极限以下，并且使发动机接近最佳性能转速区。

戴姆勒克莱斯勒供图 奔驰Actros重型卡车的手动变速器

在理想情况下，变速器齿比变化范围非常大，因而发动机总是以单一的最佳性能转速运行。 这就是无级变速器（CVT）的概念。

CVT的齿比范围几乎没有任何限制。 过去，CVT在成本、尺寸和可靠性方面都不能与四速和五速变速器抗衡，所以在量产汽车中看不到它们。 目前，设计方面的改善使CVT得到了普及。 丰田普锐斯就是使用CVT的混合动力汽车。

变速器通过离合器与发动机连接。 因此，变速器输入轴的转速与发动机相同。

戴姆勒克莱斯勒供图 奔驰C级运动型跑车六速手动变速器

五速变速器为输入轴提供五种不同的齿比，以便在输出轴产生不同的转速值。 以下是一些典型的齿比：

挡位	速比	发动机转速为3000转/分时 变速器输出轴的转速
一挡	2.315:1	1,295
二挡	1.568:1	1,913
三挡	1.195:1	2,510
四挡	1.000:1	3,000
五挡	0.915:1	3,278

有关无级变速器工作原理的更多信息，请参考 CVT（无级变速器）工作原理。 接下来让我们看看简单的变速器。

为了帮助了解标准变速器的基本原理，下图显示了处于空挡状态的简单两速变速器。

让我们来看看图中的每一个部件，以及它们是如何装配的：

• 绿色轴将发动机与离合器连接起来。 绿色轴和绿色齿轮连在一起，形成一个整体。 （离合器是用于连接发动机和变速器或断开其间连接的装置。 踩下离合器踏板时，发动机与变速器断开，此时虽然汽车并不移动，但发动机仍在运转。 而松开离合器踏板时，发动机和绿色轴就直接连在一起。 绿色轴和齿轮的转速与发动机相同。)

• 红色轴及红色齿轮称为副轴。 它们也连为一个整体，因此副轴上的所有齿轮和副轴本身作为整体旋转。 绿色轴与红色轴直接通过各自的啮合齿轮连接起来，所以当绿色轴转动时，红色轴也会转动。 因此，一旦离合器接合，副轴就直接从发动机获得动力。

• 黄色轴是花键轴，通过连接到汽车驱动轮的差速器直接与驱动轴相连。 如果车轮转动，黄色轴也将随之转动。

• 蓝色齿轮连在轴承上，因此会随黄色轴转动。 如果发动机已关闭，但汽车还在滑行，则在蓝色齿轮和副轴停止运动时，黄色轴仍可能在蓝色齿轮内部转动。

• 轴环将两个蓝色齿轮中的一个连接到黄色驱动轴上。 它通过齿槽直接与黄色轴相连，并与黄色轴一起转动。 但轴环也可以沿着黄色轴左右滑动，从而选择性地接合两个蓝色齿轮中的一个。 轴环中的齿称为犬齿，可与蓝色齿轮侧面的孔相接合。

一挡齿轮
下图显示了当轴环换到一挡时如何结合右边的蓝色齿轮：

图中，发动机的绿色轴转动副轴，副轴则转动右边的蓝色齿轮。 齿轮通过轴环驱动黄色驱动轴。 同时，左边的齿轮也在转动，但只是在其轴上空转，对黄色轴并不产生影响。

当轴环位于两个齿轮之间时（如第一图所示），变速器为空挡状态。 黄色轴上以不同速率运转的两个蓝色齿轮都通过其与副轴的速比来控制。

通过以上讨论，您可以回答以下几个问题：

• 在换挡时，如果操作错误，听到可怕的碾磨声，这个声音不是误啮合齿轮发出的。 从图中可以看出，所有轮齿总是处于完全啮合状态。 这种碾磨声是犬齿接合蓝色齿轮侧孔失败发出的。

• 这里显示的变速器没有“同步”（在下文中讨论），所以使用此变速器时，您必须双踩离合。 双踩离合在老式汽车中很常见，而在一些现代赛车中也仍然很常用。 在双踩离合时，先合下离合踏板，使发动机与变速器分离。 这样可消除犬齿的压力，从而将轴环切换至空挡状态。 然后松开离合器踏板，使发动机恢复“正确速度”。 该速度就是发动机下一齿轮的运转速度。 这样做的目的，在于使下一个蓝色齿轮与轴环以相同的转速运行，这样犬齿就能接合。 然后再次踩下踏板并将轴环锁定到新齿轮中。 每换一个齿轮，都必须踩下和松开两次离合器，因此称为“双离合”。

• 另外，您还可以了解换挡按钮的微小线性位移怎样实现齿轮更换。 换挡按钮移动连接到拨叉的杆。 拨叉使轴环在黄色轴上滑动，从而与两个齿轮中的一个接合。

现在我们来看看真正的变速器。 下面的动画显示了一个带倒挡的四速变速器的内部工作状况。
Geebee's Vector Animations提供动画

如今，五速手动变速器在汽车上已经相当普遍了。 其内部结构如下图所示：

有三个拨叉，由换挡杆接合的三个杆控制。 俯看换挡叉轴，它们在空挡、倒挡、一挡和二挡中的情形如下图所示：

注意，换挡杆中部有一个旋转点。 在将旋钮前推接合一挡齿轮时，实际上是在推动杆和拨叉，以便将一挡齿轮拉回来。

可以看到，左右移动变速杆也是在接合不同的拨叉（从而接合不同的轴环）。 将旋钮前后移动也就移动了轴环，使它们接合一个齿轮。

倒挡齿轮由一个小惰轮（紫色）来操控。 该图中的蓝色倒挡齿轮总是与其他所有蓝色齿轮的转动方向相反。 因此，当汽车前进时，不可能将变速器切换到倒挡（因为犬齿不能啮合）。 但它们会产生大量的噪音！

同步器
新式客车的手动变速器采用同步器，这样就不需要使用双踩离合。 同步器的作用是，在与犬齿接触前，使轴环与齿轮发生有摩擦的接触。 这样，在犬齿接合前，就可以使轴环和齿轮速度达到同步，如图所示：

蓝色齿轮上的锥体接合轴环中的锥形区域，锥体与轴环间的摩擦使轴环和齿轮同步。 轴环的外部随之滑动，使犬齿接合齿轮。

不同制造商生产的变速器和同步器的实现方式各不相同，但基本原理是一样的。

有关变速器及相关主题的更多信息，请查看下一页上的链接。