手动变速器的工作原理

手动变速器工作原理~

手动变速器的工作原理，就是通过拨动变速杆，切换中间轴上的主动齿轮，通过大小不同的齿轮组合与动力输出轴结合，从而改变驱动轮的转矩和转速。发动机的动力输入轴是通过一根中间轴，间接与动力输出轴连接的。

手动变速箱结构工作原理

手动变速器是一种变速装置，用来改变发动机传到驱动轮上的转速和转矩，在原地起步、爬坡、转弯、加速等各种工况下，使汽车获得不同的牵引力和速度，同时使发动机工作在较为有利的工况范围内。

工作原理

基本变速原理

手动变速器的原理其实不难，下面首先解释单对齿轮减速增矩的原理，然后用2档变速箱的简单模型来说明变速器的换挡原理，最后看一个五档变速器的例子。

下图所示的是一对相互啮合的齿轮，I是主动轴（动力输入轴），Ⅱ是从动轴（动力输出轴）。不妨设主动轴齿轮的齿数是Z1，转速为n1，转矩为T1，从动轴齿轮的齿数是Z2，转速为n2，转矩为T2。

由于齿轮连接是刚性连接，主从动轮上的啮合点处的线速度是相同的，即有：n1×Z1=n2×Z2，可得n1/n2=Z2/Z1，该比值记为i，其名称是传动比。如果不记传动过程中的摩擦等功率损失，则从动齿轮获得的功率等于主动齿轮的功率，即有：n1×T1=n2×T2，可得n1/n2=T2/T1综合这几个式子，可得如下表达式。

i=n1/n2=Z2/Z1=T2/T1

从这个式子可以看出：如果主动轮的齿数比从动轮少，即Z1 <Z2，也就是i >1，则n1> n2，可见从动轴的转速 n2下降了，再看转矩关系，可以得到T2 > T1，可见从动轴的转矩T2 增大了，这就是减速增矩作用；

反之，如果主动轮的齿数比从动轮多，那么从动轴的转速就会增加，而转矩会减小。

在手动变速器中，每一对啮合齿轮基本上都是减速增矩作用（超速档除外）。

理解了单对齿轮的减速原理之后，就可以看一下变速器的变速原理了。为了更好的理解变速箱的工作原理，下面让我们先来看一个2档变速箱的简单模型（如下图所示），看看各部分之间是如何配合的：

输入轴（绿色）通过离合器与发动机相连，轴和上面的齿轮是一个部件，称之为齿轮轴；轴和齿轮（红色）叫做中间轴。它们一起旋转。轴（绿色）旋转通过啮合的齿轮带动中间轴的旋转，这时，中间轴就可以传输发动机的动力了；轴（黄色）是一个花键轴，是变速器的输出轴，动力通过它输出，在通过差速器来驱动汽车。车轮转动会带着花键轴一起转动。

齿轮（蓝色）空套在花键轴上，可以自由转动。当发动机停止，但车辆仍在运动中时，齿轮（蓝色）和中间轴都在静止状态，而花键轴依然随车轮转动。

齿轮（蓝色）和花键轴是由套筒来连接的，套筒可以随着花键轴转动，同时也可以在花键轴上左右自由滑动来啮合齿轮（蓝色）。

如果操纵换挡手柄，通过换挡叉使套筒与右侧的齿轮（蓝色）啮合，则变速器就挂入了1档，如下图所示。

此时，输入轴（绿色）带动中间轴，中间轴带动右边的齿轮（蓝色），齿轮通过套筒和花键轴相连，传递能量至驱动桥上。在这同时，左边的齿轮（蓝色）也在旋转，但由于没有和套筒啮合，所以它不对花键轴产生影响。

当套筒在两个齿轮中间时，变速箱在空挡位置，两个齿轮都在花键轴上自由转动。

输出轴的转速是由发动机转速、输入轴齿轮齿数、中间轴上的齿轮齿数、齿轮（蓝色）的齿数决定。

下图是一个五档变速器的示意图。换挡原理与上面的2档式变速器相同，值得注意的是，倒档是通过增加一个小齿轮（倒档中间齿轮）来实现的。

换档杆通过三个连杆连接着三个换档拨叉（如下图所示）。

在换挡杆的中间有个旋转点，你左右移动换档杆时，实际上是在选择不同的换档叉（不同的套筒）；前后移动时则是选择不同的齿轮（蓝色）。

同步器工作原理

变速器在换挡过程中，必须使所选挡位的一对待啮合齿轮轮齿的圆周速度相等（即同步），才能使之平顺地进入啮合而挂上挡。如果两齿轮轮齿不同步时即强制挂挡，势必因两轮齿间存在速度差而发生冲击和噪声。这样，不但不易挂挡，而且影响轮齿寿命，使齿端部磨损加剧，甚至使轮齿折断。

为使换挡平顺，驾驶员应采取较复杂的操作，并应在短时间内迅速而准确地完成。这对于即使是技术很熟练的驾驶员，也易造成疲劳。因此，要求在变速器结构上采取措施，既保证挂挡平顺，又使操作简化，减轻驾驶员劳。同步器正是为满足该要求二设计出来的。

同步器是在接合套换挡机构基础上发展起来的，其中除了接合套、花键毂、对应齿轮上的接合齿圈外， 还增设了使接合套与对应接合齿圈的圆周速度迅速达到并保持一致（同步）的机构，以及防止两者在达到同步之前而进入接合以防止冲击的机构。

同步器有常压式、惯性式，自行增力式等类型，目前广泛使用的是惯性式同步器。下图所示的是锁环式惯性同步器。

它主要由接合套、同步锁环等组成，它的特点是依靠摩擦作用实现同步。接合套、同步锁环和待接合齿轮的齿圈上均有倒角（锁止角），同步锁环的内锥面与待接合齿轮齿圈外锥面接触产生摩擦。锁止角与锥面在设计时已作了适当选择，锥面摩擦使得待啮合的齿套与齿圈迅速同步，同时又会产生一种锁止作用，防止齿轮在同步前进行啮合。当同步锁环内锥面与待接合齿轮齿圈外锥面接触后，在摩擦力矩的作用下齿圈转速与同步锁环转速迅速相等，两者同步旋转，齿圈相对于同步锁环的转速为零，因而惯性力矩也同时消失，这时在驾驶员施加于接合套的轴向力的推动下，接合套便与同步锁环齿圈接合，并进一步与待接合齿轮的齿圈接合而完成换档过程。

操纵机构工作原理

手动变速器的操纵机构的作用是保证驾驶员根据汽车的运行状态和使用条件，准确地将变速器换入所需档位。主要包括两种：直接操纵式和远距离操纵式。

大多数汽车采用直接操纵式变速器操纵机构，其变速杆及所有换挡操纵装置都设置在变速器盖上，变速器布置在驾驶员座位的近旁，变速杆由驾驶室底板伸出，驾驶员可直接操纵变速杆来拨动变速器盖内的换挡操纵装置进行换挡，结构紧凑、简单、操纵方便。

下图所示的是6档手动变速器的操纵机构示意图。

拨叉轴的两端均支撑于变速器盖相应的孔中，可轴向滑动。所有拨叉和拨块都以弹性固定于相应的拨叉轴上。三四档拨叉的上端具有拨块，3、4挡拨叉和所有拨块的顶部制有凹槽。

变速器处于空挡时，各凹槽在横向平面内对齐，叉形拨杆下端的球头即伸入这些凹槽中。选档时，可使变速杆绕其中部球形支点横向摆动，则其下端推动叉形拨杆绕换挡轴的轴线转动，从而使叉形拨杆下端球头对准与所选档位相应的拨块凹槽，然后使变速杆纵向摆动，带动拨叉轴及拨叉向前或向后移动，即可实现挂档。

操纵机构应保证变速器能够准确地挂入选定的档位，并能可靠地在所选档位上工作，故设置了自锁装置、互锁装置、倒档锁装置。

（1）自锁装置

自锁装置能够防止自动挂档及自动脱挡，并保证各挡传动齿轮以全齿长啮合。下图是某汽车的自锁装置。

在变速器盖的前端凸起部钻有三个深孔，在孔中装入自锁钢球1和自锁弹簧2，其位置正处于拨叉轴6的正上方。每根拨叉轴对于钢球的表面沿轴向设有三个凹槽，槽的深度小于钢球的直径。

中间的凹槽对正钢球时为空挡位置，前边或后边的凹槽对正钢球时则处于某一工作档位。凹槽正对钢球时，钢球便在自锁弹簧的压力作用下嵌入该凹槽内。拨叉轴的轴向位置便固定，其拨叉及相应的接合套或滑动齿轮便被固定在空挡位置或某一工作挡位，而不能自行挂挡或自行脱挡。

当需要换挡时，驾驶员通过变速杆对拨叉轴施加一定的轴向力，克服弹簧的压力，而将自锁钢球从拨叉轴凹槽中挤出并推回孔内，拨叉轴便可滑过钢球并带动拨叉及相应的换挡元件轴向移动。当拨叉轴移至另一个凹槽与钢球对正时，钢球又被压入凹槽，变速器刚好换入某一工作挡位或退入空挡。相邻凹槽之间的距离保证齿轮处于全齿长啮合或完全退出啮合。

（2）互锁装置

互锁装置能够保证不同时挂入两个挡，以免使同时啮合的两档齿轮因其传动比不同而相互卡住，造成运动干涉甚至造成零件损坏。下图是某汽车的互锁装置。

互锁销6装在中间拨叉轴3的孔中，其长度相当于拨叉轴直径减去互锁钢球的半径；互锁钢球2、4装于变速器盖的横向孔中。

在空挡位置时，左右拨叉轴1、5正对着钢球2、4处开有深度相当于钢球半径的凹槽，中间拨叉轴则左右均开有凹槽，凹槽中开有装锁销6的孔。

这种互锁装置可以保证变速器只有在空挡位置时，驾驶员才可以移动一个拨叉轴挂挡。若某一拨叉轴被移动而挂挡时，另两个拨叉轴便被互锁装置固定在空挡位置而不能再轴向移动了。

（3）倒档锁装置

倒档锁装置能够防止误挂倒挡，防止汽车在前进中因误挂倒挡造成极大的冲击，使零件损坏，并防止在汽车起步时误挂倒挡造成安全事故。

倒档锁装置的作用是使驾驶员挂倒档时，必须对变速杆施加较大的力，才能换上倒挡，起提醒作用，如下图所示。

倒挡锁销1的杆部装有倒挡锁弹簧2，其右端的螺母可调整弹簧的预紧力和倒挡锁销的长度。驾驶员要挂倒挡时，必须用较大的力使变速杆的下端压缩倒挡弹簧，将倒挡锁销推向右方后，才能使变速杆下端进入倒挡拨块的凹槽内，以拨动Ⅰ、倒档拨叉轴而退入倒挡。

手动变速箱已经逐渐退出人们的视线了，主流车型开始把手动挡排除在外。手动挡车型一般作为低配存在的事实，也从另一个角度说明手动变速箱逐渐跟不上时代的潮流了。

1中国是手动大国？

事实真的是这样？我们能看到很多自主品牌依然倾向选择手动变速箱，不过这是无奈的选择。究其原因是，我国在自动变速箱领域的实力不够，无法制造出满足消费者喜爱的自动变速箱，只能拿结构简单的手动变速箱充数了。

 

虽然，自动变速箱越来越智能，但手动变速箱的操控快感依然是很多人难以忘记的。更何况，目前很多自动变速箱存在换挡延迟、动力匹配不好的通病。因此，市面上很多主打极致操控的机器依然采用了手动变速箱，比如丰田和斯巴鲁共同推出的丰田86（斯巴鲁BRZ）。这是手动乐趣不死的代表。

2谁发明了手动变速箱？

是谁发明了汽车？德国人还是法国人，这已经是难以定论的问题了，虽然“汽车发明者”的名字被奔驰抢了先，但法国人在汽车的影响力也不容小觑。据查，1889年，法国人Louis-René Panhard和Emile Levassor研制成功的齿轮变速箱就是手动变速箱的雏形。1894年，这对兄弟向人们展示了3速手动变速箱。

不过，3挡手动变速箱随着人们对速度的追崇已经跟不上脚步了，不过手动变速箱也没有迎来翻天腹地的变化，直到20世纪50年代，汽车企业们才开始应用4速手动变速箱。

4速手动变速箱由于高成本以及技术限制，只能配备在一些高端车型或者性能车型上。之后的很长一段时间，4速自动变速箱才开始流行，后来就是丰田推出了5速手动变速箱，一直统治到了2000年左右，之后6速手动档才延续至今。此时，自动挡档位数的发展已经超过了手动变速箱。

我们对车的接触应该从20世纪80年代左右开始增多。1982年，上海汽车集团在和通用、标致雪铁龙以及大众周旋过后，最终决定和大众汽车进行合作，生产当时在欧洲称为Passat B2的车型。这款车型刚开始以CDK的方式国产。

所谓CDK其实就是进口国外的零部件到中国，然后在中国进行组装。第一批生产出来的大众Passat B2也就是后来闻名于世的Satana（桑塔纳），这款车当时就配备了4速手动变速箱，时间是80年代。

不过标致雪铁龙与上海汽车集团合作的积极性很高，虽然上海选择了大众，但标致转而和广州汽车集团合作，也生产了一代神车标致505。这款车主要是针对大众桑塔纳而生产的，后轮驱动、5速手动以及2.0L发动机，完全把桑塔纳秒杀了下去。只是出于这样，那样的问题，广州标致最终还是死掉了。

进入2000年之后，6速手动变速箱就开始普及起来，现在很多主流的变速箱都采用了6MT。丰田86以及斯巴鲁BRZ的6速手动变速箱被拆解开来之后，重燃了人们对手动变速箱的兴趣。

3手动变速箱是怎么工作的？

喜欢玩自行车的朋友十分清楚变速系统的工作原理，其实手动变速箱也与自行车十分类似，它是通过大小不同的齿轮相结合最终达到输出动力的变化。自行车变速箱系统是通过链条改变前后齿轮的搭配实现调整车速快慢。

前齿盘有三个，带动车轮运转的后齿盘有数量不等的几个盘。以我个人购买的迪卡侬RR520入门级山地车为例，它拥有前三后九共27种搭配方案，俗称27速。前齿盘越大，后齿盘越小，脚蹬越费力。这是因为前轮转一圈，后轮转的圈数更多。前齿盘越小，后齿盘越大，脚蹬时越轻松，这是因为后轮运转时需要的能量，被前轮分摊了。

于是，我们就能理解，当车子爬坡时，我们要减档，让前齿轮变小，后齿轮变大，这样前齿轮可以通过分摊圈数的方式，降低脚蹬时的力度。这种方式下，我们爬坡不会感到费力，而轮子却拥有很大的牵引力。只是，我们脚蹬速度毕竟有限，所以低档位对提高速度不利，如果我们需要提高速度，只能不断升档，逐渐达到一种前齿盘转一圈，后齿盘转多圈的状态。

在自行车变速箱系统里，我们比较容易理解几个概念。“齿比”是前大盘与后飞轮齿盘的比值，它是将车手踩踏前齿盘的能量转换成后车轮的扭力输出。齿比越大，越费力，速度越快。最大齿比决定速度。RR520的最大齿比是4，即前大盘转1圈，飞轮盘需要转4圈，最小齿比为0.65，即前大盘转1圈，飞轮盘转0.65圈。

4手动变速箱内部长啥样？

只要你理解自行车的变速系统，理解手动变速箱结构就十分简单了。手动变速箱内部其实也是由多个齿轮组成，只不过他们不通过链条连接，而是通过咬合的方式连接在一起。我们先看一下常见的5速手动变速箱结构示意图。

常见的两轴5速手动变速器只有两个轴，两个轴上由不同齿轮贯穿，分别叫输入轴和输出轴。输入轴上的齿轮是固定的，输出轴上的则通过滚针轴承（见下图）连接。滚针轴承的存在是让输出轴上的齿轮可以自由转动。

我们在结构示意图上可以看到Selector fork，俗称换挡拨叉。每两个齿轮之间设置一个，它的作用是锁死齿轮，让齿轮与输出轴之间形成硬连接，将输入轴的能量传递给车轮。我们能看到它在1档和2档之间、3档和4档之间以及5档都存在，这也就是我们常见的，向上推为1档，向下为2档的操作方法。

这是一个更直观的手动变速箱结构示意图，它是三轴式手动变速箱，通常用于后驱车型，因为多了一个轴，所以体积也比双轴的更大。中间轴与输入轴硬连接，轴上齿轮也是硬连接。输出轴上的齿轮依旧采用滚针轴承连接。换挡拨叉拨动紫色齿轮锁定某一个齿轮，达到锁定档位的目的。

我们可以看到，齿轮比的概念，1档时蓝色齿轮大于红色齿轮，但到5档时就逐渐接近一样大小了。这就是齿比不断上升的过程，也是速度不断爬升的需求。

至于锁定特定齿轮，手动变速箱则通过推杆的方式实现。常见的手动变速箱分为三排，因此有三个推杆，不同位置固定不同档位，结构示意图如下。

手动挡的结构比较简单，性能可靠而且制造和维护成本低廉，仅通过几个齿轮硬连接，因此传动效率会更高，也就是有节油优势。它也能随心所欲的换挡，最直接表现驾驶者意图。缺点是对驾驶者要求比较高，而且操作相对频繁。

也不是每一家企业都能做好手动变速箱。它需要根据不同发动机做不同设计，保证发动机一直处在最佳输出空间，营造良好的驾驶感受，几乎全靠手动变速箱了。丰田86的手动变速箱就是如此，它能让每一次升档都落在5000rpm左右，这正是FA20引擎表现最好的区间，充分发挥FA20的加速性能。

5总结

手动变速箱在越发拥挤以及越来越“懒”的都市青年手里，逐渐失去了魅力，尤其目前消费者对手动变速箱操作繁琐以及转速控制能力普遍缺乏，导致随踩随走，不会熄火，不会溜车的自动变速箱备受期待。不过，手动挡的驾驶乐趣绝对是自动变速箱无法替代的。

一、变速箱的作用 发动机的物理特性决定了变速箱的存在。首先，任何发动机都有其峰值转速；其次，发动机最大功率及最大扭矩在一定的转速区出现。比如，发动机最大功率出现在5500转。变速箱可以在汽车行驶过程中在发动机和车轮之间产生不同的变速比，换档可以使得发动机工作在其最佳的动力性能状态下。理想情况下，变速箱应具有灵活的变速比。无级变速箱（CVT）就具有这种特性，可以较好的发挥发动机的动力性能。 二、CVT 无级变速箱有着连续的变速比。其一直因为价格、尺寸及可靠性的关系而没有大量装备汽车。现在，改进的设计使得CVT的使用已比较普遍。 国产AUDI 2.8 CVT 变速箱通过离合器与发动机相连，这样，变速箱的输入轴就可以和发动机达到同步转速 奔驰C级Sport Coupe 6速手动变速箱 一个5档的变速箱提供5种不同的变速比，在输入轴和输出轴间产生转速差。见下表： 三、简单的变速箱模型 为了更好的理解变速箱的工作原理，下面让我们先来看一个2档变速箱的简单模型，看看各部分之间是如何配合的： �6�1输入轴（绿色）通过离合器和发动机相连，轴和上面的齿轮是一个部件。 �6�1轴和齿轮（红色）叫做中间轴。它们一起旋转。轴（绿色）旋转通过啮合的齿轮带动中间轴的旋转，这时，中间轴就可以传输发动机的动力了。 �6�1轴（黄色）是一个花键轴，直接和驱动轴相连，通过差速器来驱动汽车。车轮转动会带着花键轴一起转动。 �6�1齿轮（蓝色）在花键轴上自由转动。在发动机停止，但车辆仍在运动中时，齿轮（蓝色）和中间轴都在静止状态，而花键轴依然随车轮转动。 �6�1齿轮（蓝色）和花键轴是由套筒来连接的，套筒可以随着花键轴转动，同时也可以在花键轴上左右自由滑动来啮合齿轮（蓝色）。 1档 挂进1档时，套筒就和右边的齿轮（蓝色）啮合。见下图： 如图所示，输入轴（绿色）带动中间轴，中间轴带动右边的齿轮（蓝色），齿轮通过套筒和花键轴相连，传递能量至驱动轴上。在这同时，左边的齿轮（蓝色）也在旋转，但由于没有和套筒啮合，所以它不对花键轴产生影响。 当套筒在两个齿轮中间时（第一张图所示），变速箱在空挡位置。两个齿轮都在花键轴上自由转动，速度是由中间轴上的齿轮和齿轮（蓝色）间的变速比决定的。 四、真正的变速箱 如今，5档手动变速箱应用已经很普遍了，以下是其模型。 换档杆通过三个连杆连接着三个换档叉，见下图 在换挡杆的中间有个旋转点，当你拨入1档时，实际上是将连杆和换档叉往反方向推。 你左右移动换档杆时，实际上是在选择不同的换档叉（不同的套筒）；前后移动时则是选择不同的齿轮（蓝色） 倒档 通过一个中间齿轮（紫色）来实现。如图所示，齿轮（蓝色）始终朝其他齿轮（蓝色）相反的方向转动。因此，在汽车前进的过程中，是不可能挂进倒档的，套筒上的齿和齿轮（蓝色）不能啮合，但是会产生很大的噪音。 同步装置 同步是使得套筒上的齿和齿轮（蓝色）啮合之前产生一个摩擦接触， 齿轮（蓝色）上的锥形凸出刚好卡进套筒的锥形缺口，两者之间的摩擦力使得套筒和齿轮（蓝色）同步，套筒的外部滑动，和齿轮啮合。 汽车厂商制造变速箱时有各自的实现方式，这里介绍的是一个基本的概念！

简单的说：变速器有三大件：1、由发动机带动的动力齿轮2、档位齿轮（离合）3、档位齿轮箱（各档位）
原理：由发动机带动的动力齿轮旋转，在启动阶段，将档位齿轮挂在档位齿轮箱的一档上，慢松离合器，这时发动机就带动一档了，各档位档位齿轮箱是由不同直径大小的齿轮组合，一档的齿轮直径最大，根据力距原理，动力最大，速度最低。而五档齿轮直径最小，转速就最快，所以其速度最快。

为了更好的理解变速箱的工作原理，下面让我们先来看一个2档变速箱的简单模型，看看各部分之间是如何配合的： 输入轴（绿色）通过离合器和发动机相连，轴和上面的齿轮是一个部件。 轴和齿轮（红色）叫做中间轴。它们一起旋转。轴（绿色）旋转通过啮合的齿轮带动中间轴的旋转，这时，中间轴就可以传输发动机的动力了。 轴（黄色）是一个花键轴，直接和驱动轴相连，通过差速器来驱动汽车。车轮转动会带着花键轴一起转动。 齿轮（蓝色）在花键轴上自由转动。在发动机停止，但车辆仍在运动中时，齿轮（蓝色）和中间轴都在静止状态，而花键轴依然随车轮转动。 齿轮（蓝色）和花键轴是由套筒来连接的，套筒可以随着花键轴转动，同时也可以在花键轴上左右自由滑动来啮合齿轮（蓝色）。 1档 挂进1档时，套筒就和右边的齿轮（蓝色）啮合。见下图： 如图所示，输入轴（绿色）带动中间轴，中间轴带动右边的齿轮（蓝色），齿轮通过套筒和花键轴相连，传递能量至驱动轴上。在这同时，左边的齿轮（蓝色）也在旋转，但由于没有和套筒啮合，所以它不对花键轴产生影响。 当套筒在两个齿轮中间时（第一张图所示），变速箱在空挡位置。两个齿轮都在花键轴上自由转动，速度是由中间轴上的齿轮和齿轮（蓝色）间的变速比决定的。 四、真正的变速箱 如今，5档手动变速箱应用已经很普遍了，以下是其模型。 换档杆通过三个连杆连接着三个换档叉，见下图 在换挡杆的中间有个旋转点，当你拨入1档时，实际上是将连杆和换档叉往反方向推。 你左右移动换档杆时，实际上是在选择不同的换档叉（不同的套筒）；前后移动时则是选择不同的齿轮（蓝色）。 倒档 通过一个中间齿轮（紫色）来实现。如图所示，齿轮（蓝色）始终朝其他齿轮（蓝色）相反的方向转动。因此，在汽车前进的过程中，是不可能挂进倒档的，套筒上的齿和齿轮（蓝色）不能啮合，但是会产生很大的噪音。 同步装置 同步是使得套筒上的齿和齿轮（蓝色）啮合之前产生一个摩擦接触，见下图 齿轮（蓝色）上的锥形凸出刚好卡进套筒的锥形缺口，两者之间的摩擦力使得套筒和齿轮（蓝色）同步，套筒的外部滑动，和齿轮啮合。 汽车厂商制造变速箱时有各自的实现方式，这里介绍的是一个基本的概念！

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