汽车变速器之原理

变速器又被称为变速箱，它的作用就是转换力矩。在普通的汽车发动机中，曲轴的额定转速最高可达8000rpm甚至更高，如果直接将曲轴力矩传递给车轮，难免会发生轮速过高、扭矩过小的冲突，使得发动机的负担增大，难以克服摩擦力驱动汽车。骑过自行车的人都知道，普通的无变速器自行车骑行速度通常很慢，而且遇到上坡就尤其费劲；换作一台可前后变速的山地自行车就轻松多了，其实这个道理跟汽车变速器一样。

变速器就是一种聪明的机械闭锁机构，它可以按照不同的齿轮比例来降低输出转速，增大扭转力矩，而力矩又通过齿轮与齿轮的传递让汽车跑得更快，同时使发动机更省力，这就是变速器存在的意义。

齿轮的秘密

变速器的构成其实看上去很简单，无非就是一堆齿轮和一组拨叉，这几乎也是所有手动变速器的构成部件。但是齿轮看起来小巧而简单，实际上也有大学问。一般来说，变速器里的齿轮可分为直齿轮和斜齿轮两种。由于斜齿轮具有一定的角度，更容易分级挂挡，并且切换挡位时比直齿轮更为平顺安静，所以在汽车上基本都采用斜齿轮式变速箱。此外，斜齿轮还具有另外一个优点，那就是利于改变啮合齿轮的运动方向，因为它的齿轮角度为45°，那么当两个同样结构的斜齿轮啮合时，便可以很轻松的垂直咬合在一起。

弄清楚了齿轮问题，我们继续深入

在汽车的变速器中，各级齿轮间的齿比由齿轮的齿数决定。例如相互啮合的两个齿轮齿数分别为20个和10个，那么前者输入端转一圈就会带动后者输出端转两圈，变速比即为2:1。实际上这也就达到了通常意义上所说的加挡的目的了——大齿轮带动小齿轮，就是一组高速挡位。同理，减挡时就是将力传递端给齿数相对较多的齿轮，假设输入端齿轮仍为20个，而输出端变为15个，这么一来，齿比则变为了1.33:1，力矩增大，爬上坡会更有劲。

如果把几组不同规格(齿数)的齿轮组合在一起，便可以构建一个变速机构来快速地升降挡了。这样一来，假设一套齿轮机构输入端齿轮为20齿，二级齿轮为40齿，输出端齿轮为50齿，第一级变速比为1:2，第二级为4:5，最终的变速比为两级变速比之积，即2:5。以此类推，再多增加几组齿轮，再弄清楚它们的齿数前提下，便能很轻松算出速比，知道变速器的能力范围了。

变速的基本原理

值得注意的是，在汽车的变速器中不仅有常规的变速齿轮，几乎所有车辆都还有一套差速齿轮(差速器)，它把守着汽车动力传递到车轮这一最后关口，一般位于前桥或者后桥的中部位置，它的作用是产生终传比。

差速器齿轮由一个输入端小齿轮和一个大齿圈构成，我们以一台斯巴鲁翼豹的5速手动变速箱为例，假设它的终传比为4.444:1，这也就是变速器输出轴到车轮驱动半轴的最终变速比。我们可以看到，当发动机转速在3000rpm时，变速箱处于5挡，那么变速箱输出轴的转速就为4065rpm，通过终传比为4.444:1的差速器，最后传到驱动半轴的转速则为914rpm。不夸张地说，如果知道车轮尺寸，利用上面的比例关系公式，甚至可以计算出这款翼豹在发动机某一转速下的最高车速。又例如，已知翼豹的车轮尺寸为205/55R16，整个车轮的半径r为258mm，那么车轮的周长就为2r乘以圆周率3.14，即1620.24mm。目前，已知推算出的变速箱5挡时输出转速为4065rpm，那么每分钟行驶距离就用1620.24mm乘以4065rpm，即为6586275.6mm，换算成米即为6586.2756m，然后除以每小时60分钟，最后得出4065rpm转速下的车速为109.7km/h，也可以说是110km/h。当然，我们只是理论计算，实际上翼豹在110km/h的车速下，发动机转速大大低于4000rpm。

在普通变速箱的内部构造中，我们能看到不同规格的斜齿轮啮合在一起。与前端离合器相连接的轴被称为动力输出轴(发动机输出轴)，而在离合器之前则是直接与发动机飞轮相连。一般紧挨着输出轴的一侧，就是变速箱的输出轴(传递至差速器)，在这根轴上包括5个斜齿轮和前、中、后3套变速拨叉，一般的手动变速器很容易识别，那么它又是如何工作的呢？

简单说，就是当离合器与飞轮结合在一起时，动力输出轴开始转动，固定在动力输出轴上的斜齿轮也随之转动，它们与变速器输出轴上一系列可以绕其空转的斜齿轮啮合。此外，变速器的换挡拨叉可以带动一系列具有内花键的接合套滑动，接合套通过花键与输出轴上的齿轮相连，这样一来就可以拨动齿轮达到切换挡位的目的。我们所讲的原理，是通过理解之后的简化产物，真正的变速器在换挡时其复杂程度并非如此。

斯巴鲁翼豹5速手动变速器速比示意图

档位速比发动机3000rpm时各级齿轮的转速

13.166:1947

21.882:11594

31.296:12314

40.972:13086

50.738:14065

制表：凤凰汽车

今天我们接着昨天的话题继续来聊聊变速器最基本的原理，我们还是以相对简单的手动变速器为范例吧，这样讲起来也更加通俗易懂。接下来，我们将从四个方面来解析变速器的工作原理，这四个方面通常也是评价一台手动变速器是否称职的要素。

换挡平顺性

在这里，我们还是以斯巴鲁翼豹的5速手动变速器为例。假设，当我们想要切换到4挡时，换挡杆推向第4挡，变速拨叉随之会轴向后移，同时推动接合套后移，内花键与4挡斜齿轮前端的外花键啮合，通过花键的接合，将接合套与输出轴锁止。同时当离合器接合时，发动机曲轴便驱动动力输出轴转动，变速器输出轴上的其他斜齿轮空转。刚刚被锁止的4挡斜齿轮即刻起便与发动机接合，同时输出动力至半轴，接着是差速器，最后到达车轮。这是一个完整的动力传输路径，也是一套换挡动作的范例。

为了挂上4挡，接合套会从3挡斜齿轮滑向4挡斜齿轮，那为什么我们需要使用离合器呢？原因就在于，当我们推动换挡杆换挡时，变速器内的各个齿轮还在高速旋转，如果生拉硬拽整个变速器就会发生打齿现象，损伤度极大；另外，使用离合器还可以避免摩擦噪音，实现主动降噪。

通常情况下，人们会产生一个误区--换挡噪音来自齿轮间啮合时的摩擦。变速器的噪音实际上是由接合套花键与斜齿轮花键接合不当产生的，这种情况通常发生在换挡时离合器接合过快时。所以过去技术陈旧的汽车通常需要踩两脚离合才能实现平顺换挡--因为它的变速器内缺少一个叫同步器的机构，它可以帮助齿轮加速，避免打齿。所谓两脚离合，就是当第一次踩离合器时，变速拨叉和接合套退到空挡位置，此时还需要补加一脚空油，提高转速；第二次踩离合器，将接合套滑动至与下一级斜齿轮啮合，在保持转速基本同步的情况下完成换挡。现在的汽车都加入了同步器，加、减挡都只需一脚离合即可。

齿轮同步啮合

同步器(同步器齿轮机构)的目的就是将动力输出轴上的换挡齿轮提高转速，达到同步啮合的效果--在实际行驶中，由于发动机转速与车轮转速不一致，所以在踩下离合器时，实际上动力输出轴和变速器输出轴上的两组齿轮也就发生了转速差。同步器的原理，就是当与下一级斜齿轮花键啮合之前，将接合套的转速提升到一个适宜啮合的范围。

在同步器的构成中，同步器会先与斜齿轮结合，然后带动结合套转动。当同步器--一个位于输出轴花键上的滑动机构，在它靠近斜齿轮时，通过其锥形口将产生一个摩擦力，而且随着距离越近摩擦力越大，从而使接合套转速与空转的斜齿轮转速逐渐同步，达到平顺换挡的目的，也就是说只踩一脚离合器就可以完美换挡。

倒挡的原理

倒挡实际上是变速器功能的延伸，为什么两轮摩托车没有倒挡？一个原因是因为它小巧，可以人为搬动，另一个原因就是在小巧的变速器内加装倒挡不合理，会占用很大的空间。不过在汽车上，这个问题迎刃而解，倒挡其实就是上述变速器换挡原理的一种延伸，不同之处就是多了一个变向的齿轮而已。倒挡一般由三个上、中、下啮合在一起的斜齿轮来实现，而非像前进挡中的两个齿轮啮合即可。同样的，上齿轮安装在变速器输出轴上，下齿轮在中间轴上--动力输出轴的末端，而在它们之间啮合着一个用于变向的齿轮--一个单独存在齿轮，只服务于倒挡，用来改变力矩的传递方向。

变速器的好搭档--离合器

变速器是如何实现换挡的？我想通过前面的讲解，你或许已经大致了解了基本原理。变速器的工作，就是从速比到各挡位的工作关系，接下来我们还有一个要素要分析，它在汽车变速器换挡时起重要作用，它就是变速器的好兄弟--离合器。

简单来说，离合器的作用就是使你能够在汽车行驶时变换挡位--前面我们说了，是短暂的分离动力输出轴与变速器输出轴，避免因转速不同步而打齿。比如在红灯亮起时我们要停车，但又不想关闭发动机，这是发动机就是一直转动，同时也就会带动曲轴始终运转，而曲轴又与变速器动力输出轴相连，所以此时就需要一个能够在发动机曲轴和变速器中间轴之间可以切断动力的机构，离合器自然就充当了这个调解员的角色。

离合器由压盘、飞轮和从动盘三个基本部分构成。其中飞轮与发动机曲轴相联，而从动盘通过花键与变速器中间轴相联。OK，到这里我们大致已经讲清楚了包括速比在内的汽车变速器基本的工作原理，相信大家对日常驾车的一些动作要领又有了更深的领悟。其实弄明白基本原理，对于提升驾驶技术也有一定的帮助。