手動變速器(機械式變速器):簡介,優點,缺點,分類與結構,兩軸式手動變速器,中間軸

手動變速器是一種變速裝置，用來改變發動機傳到驅動輪上的轉速和轉矩，在原地起步、爬坡、轉彎、加速等各種工況下，使汽車獲得不同的牽引力和速度，同時使發動機工作在較為有利的工況範圍內。

基本介紹

中文名：手動變速器
外文名：ManualTransmission
簡稱：MT
另名：機械式變速器、手動擋
優點：換擋方便，噪音小。
內部結構：傳動軸，倒檔裝置等

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簡介

現代汽車所用的發動機轉速與轉矩的變化範圍有限，但是汽車的行駛條件變化很大，使得汽車對驅動力和車速的要求也在很大範圍內變化。比如，汽車起步時車速不需要太高，但是需要較大的驅動力；而在高速路上行駛時，驅動力不需要太大，卻需要較高的車速。汽車的這種需求特點就與發動機的轉速-轉矩特性相矛盾，變速器恰恰可以解決這個矛盾。手動變速器的功用就是：

（1）改變傳動比，擴大驅動輪轉矩和轉速的變化範圍，以適應經常變化的行駛條件。

（2）在汽車發動機旋轉方向不變的前提下，利用倒擋實現汽車倒退行駛。

（3）在發動機不熄火的情況下，利用空擋中斷動力傳遞，有利於發動機的起動、暖機、怠速，便於換擋或汽車滑行、暫時停車等使用工況。

（4）通過變速器將發動機是動力輸出驅動其他機構，如某些車的絞盤、自卸車的油泵等。

手動變速器與液力自動變速器（AT）相比，有優點也有不足。

優點

（1）與自動變速器相比較可以給汽車駕駛愛好者帶來更多的操控快感。

（2）傳輸效率比自動變速箱為高，在同排量發動機條件下，比液力自動變速器省油。

（3）構造較簡單，維修保養比自動變速箱便宜、耐用程度比自動變速箱好。

（4）工藝相對成熟，製造成本低。

（5）可靠性較高。

缺點

（1）換擋時需要同時控制離合器、換檔手柄和油門，會使得駕駛員操作負擔大，特別對於新手，易造成駕駛員緊張，影響行車安全。

（2）控制離合器技術不純熟者常常在馬路上熄火，特別是上坡操作不當的話有機率把引擎跟變速箱弄壞。

（3）手動變速器屬於純力學機械結構，故增加檔位必會造成體積和質量的增加，使檔位增加有限（當前最多為七速，但最佳的檔位數是六速）；相對之下，採用行星齒輪組（AT）或鋼帶（CVT）的自動變速器，可隨著技術提升壓縮體積，進而達到增加檔位卻不增加體積的優點。

分類與結構

手動變速器由變速傳動機構、變速器殼體、操縱機構組成。變速傳動機構可按前進擋數或軸的形式不同分類。按照前進擋數可以分為三檔、四檔、五檔、多檔變速器；按照軸的形式可以分為固定軸式（齒輪的旋轉軸線固定不動）和旋轉軸式（齒輪的旋轉軸線也是轉動的，如行星齒輪變速器），其中固定軸式手動變速器可以根據軸數的不同，分為兩軸式、中間軸式、雙中間軸式、多中間軸式。

兩軸式手動變速器

兩軸式手動變速器如下圖所示。其特點是輸出軸與輸入軸平行，沒有中間軸，發動機的動力經過離合器傳入變速器一軸（輸入軸），再經過齒輪變速後由二軸（輸出軸）輸出給主減速器。

兩軸式變速器從輸入軸到輸出軸只通過一對齒輪傳動，倒擋傳動路線中也只有一個中間齒輪，因而機械效率高，噪聲小。但由於它不可能有直接擋，因而最高擋的機械效率比直接檔低。這種結構形式適合於發動機前置、前輪驅動或發動機後置、後輪驅動的轎車和微、輕型貨車上。

中間軸式手動變速器

中間軸式手動變速器的結構如下圖所示。其特點是具有第一軸（輸入軸），第二軸（輸出軸）和中間軸，輸入軸與輸出軸置於同一條水平線上，中間軸則與它們平行布置。發動機的動力經過離合器傳入變速器第一軸，再經過中間軸，最後經變速後的動力從第二軸輸出給驅動橋。

在許多變速器中，輸入軸和輸出軸能接合在一起，因此動力不必經過中間軸，這時的檔位稱為直接檔。直接檔通過單軸傳動，傳動比為1:1，具有最高的傳動效率。這種結構形式適合於發動機前置、後輪驅動的汽車。

工作原理

基本變速原理

手動變速器的原理其實不難，下面首先解釋單對齒輪減速增矩的原理，然後用2檔變速箱的簡單模型來說明變速器的換擋原理，最後看一個五檔變速器的例子。

下圖所示的是一對相互嚙合的齒輪，I是主動軸（動力輸入軸），Ⅱ是從動軸（動力輸出軸）。不妨設主動軸齒輪的齒數是Z₁，轉速為n₁，轉矩為T₁，從動軸齒輪的齒數是Z₂，轉速為n₂，轉矩為T₂。

由於齒輪連線是剛性連線，主從動輪上的嚙合點處的線速度是相同的，即有：n₁×Z₁=n₂×Z₂，可得n₁/n₂=Z₂/Z₁，該比值記為i，其名稱是傳動比。如果不記傳動過程中的摩擦等功率損失，則從動齒輪獲得的功率等於主動齒輪的功率，即有：n₁×T₁=n₂×T₂，可得n₁/n₂=T₂/T₁綜合這幾個式子，可得如下表達式。

i=n₁/n₂=Z₂/Z₁=T₂/T₁

從這個式子可以看出：如果主動輪的齒數比從動輪少，即Z₁ <Z₂，也就是i >1，則n₁ > n₂，可見從動軸的轉速 n₂下降了，再看轉矩關係，可以得到T₂ > T₁，可見從動軸的轉矩T₂ 增大了，這就是減速增矩作用；

反之，如果主動輪的齒數比從動輪多，那么從動軸的轉速就會增加，而轉矩會減小。

在手動變速器中，每一對嚙合齒輪基本上都是減速增矩作用（超速檔除外）。

理解了單對齒輪的減速原理之後，就可以看一下變速器的變速原理了。為了更好的理解變速箱的工作原理，下面讓我們先來看一個2檔變速箱的簡單模型（如下圖所示），看看各部分之間是如何配合的：

輸入軸（綠色）通過離合器與發動機相連，軸和上面的齒輪是一個部件，稱之為齒輪軸；軸和齒輪（紅色）叫做中間軸。它們一起旋轉。軸（綠色）旋轉通過嚙合的齒輪帶動中間軸的旋轉，這時，中間軸就可以傳輸發動機的動力了；軸（黃色）是一個花鍵軸，是變速器的輸出軸，動力通過它輸出，在通過差速器來驅動汽車。車輪轉動會帶著花鍵軸一起轉動。

齒輪（藍色）空套在花鍵軸上，可以自由轉動。當發動機停止，但車輛仍在運動中時，齒輪（藍色）和中間軸都在靜止狀態，而花鍵軸依然隨車輪轉動。

齒輪（藍色）和花鍵軸是由套筒來連線的，套筒可以隨著花鍵軸轉動，同時也可以在花鍵軸上左右自由滑動來嚙合齒輪（藍色）。

如果操縱換擋手柄，通過換擋叉使套筒與右側的齒輪（藍色）嚙合，則變速器就掛入了1檔，如下圖所示。

此時，輸入軸（綠色）帶動中間軸，中間軸帶動右邊的齒輪（藍色），齒輪通過套筒和花鍵軸相連，傳遞能量至驅動橋上。在這同時，左邊的齒輪（藍色）也在旋轉，但由於沒有和套筒嚙合，所以它不對花鍵軸產生影響。

當套筒在兩個齒輪中間時，變速箱在空擋位置，兩個齒輪都在花鍵軸上自由轉動。

輸出軸的轉速是由發動機轉速、輸入軸齒輪齒數、中間軸上的齒輪齒數、齒輪（藍色）的齒數決定。

下圖是一個五檔變速器的示意圖。換擋原理與上面的2檔式變速器相同，值得注意的是，倒檔是通過增加一個小齒輪（倒檔中間齒輪）來實現的。

換檔桿通過三個連桿連線著三個換檔撥叉（如下圖所示）。

在換擋桿的中間有個旋轉點，你左右移動換檔桿時，實際上是在選擇不同的換檔叉（不同的套筒）；前後移動時則是選擇不同的齒輪（藍色）。

同步器工作原理

變速器在換擋過程中，必須使所選擋位的一對待嚙合齒輪輪齒的圓周速度相等（即同步），才能使之平順地進入嚙合而掛上擋。如果兩齒輪輪齒不同步時即強制掛擋，勢必因兩輪齒間存在速度差而發生衝擊和噪聲。這樣，不但不易掛擋，而且影響輪齒壽命，使齒端部磨損加劇，甚至使輪齒折斷。

為使換擋平順，駕駛員應採取較複雜的操作，並應在短時間內迅速而準確地完成。這對於即使是技術很熟練的駕駛員，也易造成疲勞。因此，要求在變速器結構上採取措施，既保證掛擋平順，又使操作簡化，減輕駕駛員勞。同步器正是為滿足該要求二設計出來的。

同步器是在接合套換擋機構基礎上發展起來的，其中除了接合套、花鍵轂、對應齒輪上的接合齒圈外，還增設了使接合套與對應接合齒圈的圓周速度迅速達到並保持一致（同步）的機構，以及防止兩者在達到同步之前而進入接合以防止衝擊的機構。

同步器有常壓式、慣性式，自行增力式等類型，目前廣泛使用的是慣性式同步器。下圖所示的是鎖環式慣性同步器。

它主要由接合套、同步鎖環等組成，它的特點是依靠摩擦作用實現同步。接合套、同步鎖環和待接合齒輪的齒圈上均有倒角（鎖止角），同步鎖環的內錐面與待接合齒輪齒圈外錐面接觸產生摩擦。鎖止角與錐面在設計時已作了適當選擇，錐面摩擦使得待嚙合的齒套與齒圈迅速同步，同時又會產生一種鎖止作用，防止齒輪在同步前進行嚙合。當同步鎖環內錐面與待接合齒輪齒圈外錐面接觸後，在摩擦力矩的作用下齒圈轉速與同步鎖環轉速迅速相等，兩者同步旋轉，齒圈相對於同步鎖環的轉速為零，因而慣性力矩也同時消失，這時在駕駛員施加於接合套的軸向力的推動下，接合套便與同步鎖環齒圈接合，並進一步與待接合齒輪的齒圈接合而完成換檔過程。

操縱機構工作原理

手動變速器的操縱機構的作用是保證駕駛員根據汽車的運行狀態和使用條件，準確地將變速器換入所需檔位。主要包括兩種：直接操縱式和遠距離操縱式。

大多數汽車採用直接操縱式變速器操縱機構，其變速桿及所有換擋操縱裝置都設定在變速器蓋上，變速器布置在駕駛員座位的近旁，變速桿由駕駛室底板伸出，駕駛員可直接操縱變速桿來撥動變速器蓋內的換擋操縱裝置進行換擋，結構緊湊、簡單、操縱方便。

下圖所示的是6檔手動變速器的操縱機構示意圖。

撥叉軸的兩端均支撐於變速器蓋相應的孔中，可軸向滑動。所有撥叉和撥塊都以彈性固定於相應的撥叉軸上。三四檔撥叉的上端具有撥塊，3、4擋撥叉和所有撥塊的頂部制有凹槽。

變速器處於空擋時，各凹槽在橫向平面內對齊，叉形撥桿下端的球頭即伸入這些凹槽中。選檔時，可使變速桿繞其中部球形支點橫向擺動，則其下端推動叉形撥桿繞換擋軸的軸線轉動，從而使叉形撥桿下端球頭對準與所選檔位相應的撥塊凹槽，然後使變速桿縱向擺動，帶動撥叉軸及撥叉向前或向後移動，即可實現掛檔。

操縱機構應保證變速器能夠準確地掛入選定的檔位，並能可靠地在所選檔位上工作，故設定了自鎖裝置、互鎖裝置、倒檔鎖裝置。

（1）自鎖裝置

自鎖裝置能夠防止自動掛檔及自動脫擋，並保證各擋傳動齒輪以全齒長嚙合。下圖是某汽車的自鎖裝置。

在變速器蓋的前端凸起部鑽有三個深孔，在孔中裝入自鎖鋼球1和自鎖彈簧2，其位置正處於撥叉軸6的正上方。每根撥叉軸對於鋼球的表面沿軸向設有三個凹槽，槽的深度小於鋼球的直徑。

中間的凹槽對正鋼球時為空擋位置，前邊或後邊的凹槽對正鋼球時則處於某一工作檔位。凹槽正對鋼球時，鋼球便在自鎖彈簧的壓力作用下嵌入該凹槽內。撥叉軸的軸向位置便固定，其撥叉及相應的接合套或滑動齒輪便被固定在空擋位置或某一工作擋位，而不能自行掛擋或自行脫擋。

當需要換擋時，駕駛員通過變速桿對撥叉軸施加一定的軸向力，克服彈簧的壓力，而將自鎖鋼球從撥叉軸凹槽中擠出並推回孔內，撥叉軸便可滑過鋼球並帶動撥叉及相應的換擋元件軸向移動。當撥叉軸移至另一個凹槽與鋼球對正時，鋼球又被壓入凹槽，變速器剛好換入某一工作擋位或退入空擋。相鄰凹槽之間的距離保證齒輪處於全齒長嚙合或完全退出嚙合。

（2）互鎖裝置

互鎖裝置能夠保證不同時掛入兩個擋，以免使同時嚙合的兩檔齒輪因其傳動比不同而相互卡住，造成運動干涉甚至造成零件損壞。下圖是某汽車的互鎖裝置。

互鎖銷6裝在中間撥叉軸3的孔中，其長度相當於撥叉軸直徑減去互鎖鋼球的半徑；互鎖鋼球2、4裝於變速器蓋的橫向孔中。

在空擋位置時，左右撥叉軸1、5正對著鋼球2、4處開有深度相當於鋼球半徑的凹槽，中間撥叉軸則左右均開有凹槽，凹槽中開有裝鎖銷6的孔。

這種互鎖裝置可以保證變速器只有在空擋位置時，駕駛員才可以移動一個撥叉軸掛擋。若某一撥叉軸被移動而掛擋時，另兩個撥叉軸便被互鎖裝置固定在空擋位置而不能再軸向移動了。

（3）倒檔鎖裝置

倒檔鎖裝置能夠防止誤掛倒擋，防止汽車在前進中因誤掛倒擋造成極大的衝擊，使零件損壞，並防止在汽車起步時誤掛倒擋造成安全事故。

倒檔鎖裝置的作用是使駕駛員掛倒檔時，必須對變速桿施加較大的力，才能換上倒擋，起提醒作用，如下圖所示。

倒擋鎖銷1的桿部裝有倒擋鎖彈簧2，其右端的螺母可調整彈簧的預緊力和倒擋鎖銷的長度。駕駛員要掛倒擋時，必須用較大的力使變速桿的下端壓縮倒擋彈簧，將倒擋鎖銷推向右方後，才能使變速桿下端進入倒擋撥塊的凹槽內，以撥動Ⅰ、倒檔撥叉軸而退入倒擋。

檢測

4.1要檢查所有前進檔，以及倒車檔。如果天氣比較冷，掛入低擋時，低速齒輪有輕微磨損，是因為變速器油液熱度不夠造成的，屬於正常範圍。如果每次掛檔都磨齒輪，則可能是離合器的液壓系統、或變速器本身有故障。

4.2檢查是否能正常入檔。如果發現變速器不能正常掛進檔位，或有齒輪撞擊聲；或者是掛上檔位後又很難推回空擋等，這說明變速器換檔困難，在熄火後，可以用手握住變速桿，如果很鬆曠能任意擺動，可能是定位銷失效造成的。如果不松曠時也出現換檔困難，很可能是同步器故障造成換檔時的撞擊。如果存在這類故障，是需要進修理廠拆解、排除的。

4.3變速器還可能出現“亂檔”現象。如果在車輛起步時發生變速桿不能掛進所需要的檔位，或掛檔後不能退回空擋等現象。這說明是變速器的操縱機構有故障。可能是變速桿球頭磨損過大，失去有效的控制能力造成的，如果變速桿位置稍有不對就掛進其他檔位，可能是變速桿下端工作面磨損嚴重造成的，這類故障也需要送修理廠。

4.4如果在行駛中變速桿跳回空擋，可能是齒輪和齒套磨損嚴重，致使軸承松曠或軸向間隙過大。這需要專業維修人員拆下變速器查看齒輪的嚙合狀況。如果發現變速器漏油，也是不正常的。有可能是密封襯墊密封不良造成；或者是變速器輸出軸的油封損壞。同時，潤滑油過多或通氣孔不通暢也會引起漏油。

4.5如果在發動機怠速狀態下，變速器處於空擋位置，卻有異響，可能是曲軸和變速器第一軸安裝的同軸度有偏差，這種情況在踏下離合器踏板時可消失。如果在入檔後有異響，可能是相互嚙合齒輪工作時有撞擊造成的，說明變速器殼體有損傷，或者是部分齒輪有損害造成嚙合過程中的撞擊。

手動變速器