第三章　手动变速器

第一节　手动变速器基本概述

一、变速器的功用和分类

1.变速器的功用

（1）实现变速、变矩　汽车上所应用的发动机具有转矩变化范围小、转速高的特点，这与汽车实际的行驶状况是不相适应的。如果没有变速器而直接将发动机与驱动桥连接在一起，首先由于发动机的转矩小，不能克服汽车的行驶阻力，使汽车根本无法起步；其次假使汽车行驶起来，也会由于车速太高而不实用，甚至无法驾控。所以必须改变发动机的转矩、转速特性，使发动机的转矩增大、转速下降以适应汽车实际行驶的要求。变速器中是通过不同的挡位来实现这一功用。

（2）实现倒车　发动机的旋转方向从前往后看为顺时针方向，且是不能改变，为了实现汽车的倒向行驶，变速器中设置了倒挡。

（3）实现中断动力传动　在发动机启动和怠速运转、变速器换挡、汽车滑行和暂时停车等情况下，都需要中断发动机的动力传动，因此变速器中设有空挡。

2.对变速器的要求

（1）要拥有足够的挡位与合适的传动比，满足使用要求，提高经济性和生产率。

（2）要工作可靠、传动效率高，使用寿命长，结构简单、维修方便。

（3）要操纵轻便可靠，不允许出现乱挡、跳挡、脱挡等情况。

（4）动力换挡要求换挡平稳，传动效率高。

3.变速器的分类

现代汽车上所采用的变速器有多种结构形式，一般可以按照传动比和操纵方式进行分类，其分类方式见表3-1。

下面将介绍手动、有级、齿轮变速器，一般简称为手动变速器。

二、普通齿轮传动的基本原理

普通齿轮变速器是利用不同齿数的齿轮啮合传动来实现转矩和转速的改变。

齿轮传动的基本原理如图3-1所示，一对齿数不同的齿轮啮合传动时可以实现变速，而且两齿轮的转速比与其齿数成反比。设主动齿轮转速为n1、齿数为z1，从动齿轮转速为n2、齿数为z2。主动齿轮（即输入轴）转速与从动齿轮（即输出轴）转速之比值称为传动比，用字母i12表示，即由1传到2的传动比为：

如图3-1（a）所示，当小齿轮为主动齿轮，带动大齿轮转动时，输出转速降低，即n2<n1，称为减速传动，此时传动比i>1；如图3-1（b）所示，当大齿轮驱动小齿轮时，输出转速升高，即n2>n1，称为增速传动，此时传动比i<1。这就是齿轮传动的变速原理。汽车变速器就是根据这一原理利用若干大小不同的齿轮副传动而实现变速的。

图3-2所示为两级齿轮传动示意图，齿轮1为主动齿轮，从动齿轮2转动，齿轮3与齿轮2固连在一起，再驱动齿轮4转动并输出动力，此时由1传到4的传动比为：

1，3—主动齿轮；2，4—从动齿轮

因此，可以总结为多级齿轮传动的传动比为：

i=所有从动齿轮齿数的乘积/所有主动齿轮齿数的乘积=各级齿轮传动比的乘积

对于变速器，各挡的传动比i就是变速器输入轴转速与输出轴转速之比，即

当i>1时，n输出<n输入，T输出>T输入，此时实现降速增矩，为变速器的低挡位，且i越大，挡位越低。

当i<1时，n输出>n输入，T输出<T输入，此时实现升速降矩，为变速器的超速挡。

当i=1时，n输出=n输入，T输出=T输入，为变速器的直接挡。

习惯上把变速器传动比值较小的挡位称为高挡，传动比值较大的挡位称为低挡；变速器挡位的变换称为换挡，由低挡向高挡变换称为加挡（或升挡），反之称为减挡（或降挡）。变速器就是通过挡位变换来改变传动比，从而实现多级变速的。

例如，桑塔纳2000 5挡手动变速器各挡的传动比见表3-2。其Ⅰ～Ⅲ挡为降速挡，Ⅳ挡为直接挡，Ⅴ挡为超速挡。

由齿轮传动原理可知，一对相啮合的外齿轮旋向相反，每经过一传动副，其轴改变1次转向。

二轴式变速器在输入轴与输出轴之间加装了一倒挡轴和倒挡齿轮（此为惰轮）；三轴式变速器则在中间轴与输出轴之间加装了一倒挡轴和倒挡齿轮，就可使输出轴与输入轴转向相反，从而可使汽车倒向行驶。

三、手动变速器的变速传动机构

手动变速器包括变速传动机构和操纵机构两大部分。变速传动机构的主要作用是改变转矩的大小和方向；操纵机构的作用是实现换挡。

（一）二轴式变速器的变速传动机构

二轴式变速器用于发动机前置前轮驱动的汽车，一般与驱动桥（前桥）合称为手动变速驱动桥。目前，我国常见的国产轿车均采用这种变速器，如桑塔纳、捷达、富康、奥迪等。

前置发动机有纵向布置和横向布置两种形式，与其配用的两轴式变速器也有两种不同的结构形式。发动机纵置时，主减速器为一对圆锥齿轮，如奥迪100、桑塔纳2000轿车，如图3-3所示；发动机横置时，主减速器采用一对圆柱齿轮，如捷达轿车，如图3-4所示。

1—纵置发动机；2—离合器；3—变速器；4—变速器输入轴；5—变速器输出轴（主减速器主动锥齿轮）；6—差速器；7—主减速器从动锥齿轮；8—前轮Ⅰ～Ⅴ—1～5挡齿轮；R—倒挡齿轮

1—发动机；2—离合器；3—变速器；4—主减速器；5—差速器；6—带等角速万向节的半轴

1.发动机纵向布置二轴式手动变速器

图3-5和图3-6所示为桑塔纳2000型汽车二轴式5挡手动变速器传动机构的结构和示意图。

该变速器的变速传动机构有输入轴和输出轴，二轴平行布置，输入轴也是离合器的从动轴，输出轴也是主减速器的主动锥齿轮轴。该变速器具有5个前进挡（1～3挡为降速挡，4挡为直接挡，5挡为超速挡）和1个倒挡，全部采用锁环式惯性同步器换挡。输入轴上有1～5挡主动齿轮，其中1、2挡主动齿轮与轴制成一体，3、4、5挡主动齿轮通过滚针轴承空套在轴上。输入轴上还有倒挡主动齿轮，它与轴制成一体。3、4挡同步器和5挡同步器也装在输入轴上。输出轴上有1～5挡从动齿轮，其中1、2挡从动齿轮通过滚针轴承空套在轴上，3、4、5挡齿轮通过花键套装在轴上。1、2挡同步器也装在输出轴上。在变速器壳体的右端还装有倒挡轴，上面通过滚针轴承套装有倒挡中间齿轮。

各挡动力传动路线见表3-3。

2.发动机横向布置二轴式手动变速器

图3-7所示为别克凯越汽车二轴式5挡变速器结构，图3-8所示为手动变速器动力传递示意图，各挡动力传动路线见表3-4。

（二）三轴式手动变速器

三轴式手动变速器用于发动机前置后轮驱动的汽车。下面以东风EQ1092中型货车的变速器为例进行介绍，其结构简图如图3-9所示。该变速器有3根主要的传动轴，即一轴、二轴和中间轴，所以称为三轴式手动变速器，另外还有倒挡轴。

1—一轴；2—一轴常啮合齿轮；3—一轴常啮合齿轮接合齿圈；4，9—接合套；5—4挡齿轮接合齿圈；6—二轴4挡齿；轮；7—二轴3挡齿轮；8—3挡齿轮接合齿圈；10—2挡齿轮接合齿圈；11—二轴2挡齿轮；12—二轴1、倒挡直齿滑动齿轮；13—变速器壳体；14—二轴；15—中间轴；16—倒挡轴；17，19—倒挡中间齿轮；18—中间轴1、倒挡齿轮；20—中间轴2挡齿轮；21—中间轴3挡齿轮；22—中间轴4挡齿轮；23—中间轴常啮合齿轮；24，25—花键毂；26—一轴轴承盖；27—回油螺纹

该变速器为5挡变速器，各挡传动情况见表3-5。

四、同步器

目前所采用的同步器几乎都是摩擦式惯性同步器，按锁止装置不同，可分为锁环式惯性同步器和锁销式惯性同步器。下面以锁环式同步器为例介绍其结构及工作原理。

目前汽车中手动普通齿轮变速器换挡的方式有两种，一是采用直齿滑动齿轮，如东风EQ1092的1挡、倒挡的换挡方式；二是采用同步器换挡，这种方式应用最广泛，几乎所有的变速器都是采用同步器进行换挡。

（一）同步器的功用及无同步器的换挡过程

1.功用

同步器的功用是使接合套与待啮合的齿圈迅速同步，缩短换挡时间；且防止在同步前啮合而产生换挡冲击。

想一想：如果没有同步器，变速器的换挡的过程是怎样的呢？下面带着这样的问题，我们进入下面的学习。

2.无同步器的换挡过程

以无同步器5挡变速器的4、5挡互换为例进行介绍，图3-10所示为其结构简图，是采用接合套进行换挡。

1—一轴；2—一轴常啮合齿轮；3—接合套；4—二轴4挡齿轮；5—二轴；6—中间轴4挡齿轮；7—中间轴；8—中间轴常啮合齿轮；9—花键毂

（1）低挡换高挡（4挡换5挡）　变速器在4挡工作时，接合套3与二轴4挡齿轮4上的接合齿圈啮合，两者接合齿圆周速度V3=V4。欲换入5挡时，驾驶员先踩下离合器踏板，离合器分离，再通过变速操纵机构将接合套3左移，处于空挡位置。此时仍是V3=V4，因二轴4挡齿轮4的转速低于一轴常啮合齿轮2的转速，圆周速度V4<V2。所以在换入空挡的瞬间，V3<V2，为避免齿轮冲击，不应立即换入5挡，应先在空挡停留片刻。在空挡位置时，变速器输入轴各零件已与发动机中断了动力传递且转动惯量较小，再加上中间轴齿轮有搅油阻力，所以V2下降较快，如图3-11（a）所示；而整个汽车的转动惯性大，导致接合套3（与二轴转速相同）的圆周速度V3下降慢，因图3-11（a）所示中两直线V3、V2的倾斜度不同而相交，交点即为同步状态（V3=V2）。此时将接合套左移与齿轮2上的齿圈啮合挂入5挡，不会产生冲击。但自然减速出现同步的时刻太晚，应在摘下4挡后，立即抬起离合器踏板，利用发动机怠速工况迫使一轴更快地减速，V2下降较快，如图3-11（a）所示中虚线所示，同步点出现得早，缩短了换挡时间。

（2）高挡换低挡（5挡换4挡）　变速器在5挡工作时以及由5挡换入空挡的瞬间，接合套3与一轴常啮合齿轮2接合齿圈圆周速度相同，即V3=V2，因V2>V4，故V3>V4，如图3-11（b）所示。但在空挡时V4下降得比V3快，即V4与V3不会出现相交点，不可能达到自然同步状态。所以驾驶员应在变速器退回空挡后，立即抬起离合器踏板，同时踩下加速踏板，使发动机连同离合器从动盘和一轴都从B点开始升速，让V4>V3，如图3-11（b）所示中虚线所示，再踩下离合器踏板稍等片刻，V3=V4（同步点A），即可换入4挡。

如图3-11（b）所示中还有一次同步时刻A'，利用这一点来缩短换挡时间，由于此点是踩加速踏板过程中出现的，要求有熟练的操作技能。

由此可见，欲使无同步器变速器换挡时不产生换挡冲击，需采取较复杂的操作，不仅易使驾驶员产生疲劳，且降低齿轮的使用寿命。

同步器是在接合套的基础上进一步发展起来的，下面通过介绍同步器结构和原理使我们进一步了解同步器的功用。

（二）同步器的构造及工作原理

1.锁环式惯性同步器

锁环式惯性同步器的结构如图3-12所示，花键毂7用内花键套装在二轴外花键上，用垫圈、卡环轴向定位。花键毂7两端与齿轮1和4之间各有一个青铜制成的锁环（即同步环）5和9。锁环上有短花键齿圈，其花键的尺寸和齿数与花键毂、齿轮1和4的外花键齿相同。两个齿轮和锁环上的花键齿，靠近接合套8的一端都有倒角（锁止角），与接合套齿端的倒角相同。锁环有内锥面，与齿轮1、4的外锥面锥角相同。在环锁内锥面上制有细密的螺纹（或直槽），当锥面接触后，它能及时破坏油膜，增加锥面间的摩擦力。锁环内锥面摩擦副称为摩擦件，外沿带倒角的齿圈是锁止件，锁环上还有三个均布的缺口12。三个滑块2分别装在花键毂7上三个均布的轴向槽11内，沿槽可以轴向移动。滑块被两个弹簧圈6的径向力压向接合套，滑块中部的凸起部位压嵌在接合套中部的环槽10内。滑块和弹簧是推动件。滑块两端伸入锁环5的缺口12中，滑块窄缺口宽，两者之差等于锁环的花键齿宽。锁环相对滑块顺转和逆转都只能转动半个齿宽，且只有当滑块位于锁环缺口的中央时，接合套与锁环才能接合。

1—一轴常啮合齿轮的接合齿圈；2—滑块；3—拨叉；4—二轴齿轮；5，9—锁环（同步环）；6—弹簧圈；7—花键毂；8—接合套；10—环槽；11—三个轴向槽；12—缺口

以二挡换三挡为例，说明同步器的工作原理，如图3-13所示。

（1）空挡位置　接合套刚从2挡退入空挡时，如图3-13 （a）所示，3挡齿轮、接合套、锁环以及与其有关联的运动件，因惯性作用而沿原方向继续旋转（图示箭头方向）。由于齿轮是高挡齿轮（相对于2挡齿轮来说），所以接合套、锁环的转速低于齿轮的转速。

（2）挂挡　欲换入3挡时，驾驶员通过变速杆使拨叉推动接合套连同滑块一起向左移动，如图3-13 （b）所示，滑块又推动锁环移向齿轮，使锥面接触。驾驶员作用在接合套上的轴向推力，使两锥面有正压力N，又因两者有转速差，所以产生摩擦力矩。通过摩擦作用，齿轮带动锁环相对于接合套向前转动一个角度，使锁环缺口靠在滑块的另一侧（上侧）为止，此时接合套的内齿与锁环上错开了约半个齿宽，接合套的齿端倒角面与锁环的齿端倒角面互相抵住。

（3）锁止　驾驶员的轴向推力使接合套的齿端倒角面与锁环的齿端倒角面之间产生正压力形成一个企图拨动锁环相对于接合套反转的力矩，称为拨环力矩。这样在锁环上同时作用着方向相反的摩擦力矩和拨环力矩，同步器的结构参数可以保证在同步前（存在摩擦力矩）拨环力矩始终小于摩擦力矩，所以在同步之前无论驾驶员施加多大的操纵力，都不会挂上挡，即产生锁止作用，如图3-13 （c）所示。

（4）同步啮合　随着驾驶员施加于接合套上的推力加大，摩擦力矩不断增加，使齿轮的转速迅速降低。当齿轮、接合套和锁环达到同步时，作用在锁环上的摩擦力矩消失。此时在拨环力矩的作用下，锁环、齿轮以及与之相连的各零件都对于接合套反转一角度，滑块处于锁环缺口的中央如图3-13 （c）所示。键齿不再抵触，锁环的锁止作用消除。接合套压下弹簧圈继续左移（滑块脱离接合套的内环槽而不能左移），与锁环的花键齿圈进入啮合。进而再与齿轮进入啮合，如图3-13 （d）所示，换入3挡。

锁环式同步器尺寸小、结构紧凑、摩擦力矩也小，多用于轿车和轻型车辆。

2.锁销式惯性同步器

大、中型货车普遍采用锁销式惯性同步器，下面以东风EQ1092汽车5挡变速器的4、5挡同步器为例进行简介。

4、5挡锁销式惯性同步器的结构如图3-14所示。

1—一轴齿轮；2—摩擦锥盘；3—摩擦锥环；4—定位销；5—接合套；6—二轴4挡齿轮；7—二轴；8—锁销；9—花键毂；10—钢球；11—弹簧

两个带有内锥面的摩擦锥盘2，以其内花键分别固装在带有接合齿圈的斜齿轮1和6上，随齿轮一起转动。两个有外锥面的摩擦锥环3，其上有圆周均布的三个锁销8、三个定位销4与接合套5装在一起。定位销与接合套的相应孔是滑动配合，定位销中部切有一小段环槽，接合套钻有斜孔，内装弹簧11，把钢球10顶向定位销中部的环槽，使接合套处于空挡位置，定位销随接合套能轴向移动。定位销两端伸入两锥环3内侧面的弧线形浅坑中，定位销与浅坑有周向间隙，锥环相对接合套在一定范围内作周向摆动。锁销中部环槽的两端和接合套相应孔两端切有相同的倒角；锁销与孔对中时，接合套才能沿锁销轴向移动；锁销两端铆接在锥环相应的孔中。两个锥环、三个锁销、三个定位销和接合套构成一个部件，套在花键毂9的齿圈上。

锁销式惯性同步器的工作原理与锁环式惯性同步器类似。

换挡时接合套受到拨叉的轴向推力作用，通过钢球10、定位销4推动摩擦锥环3向前移动。因摩擦锥环与锥盘有转速差，故接触后的摩擦作用使锥环和锁销相对于接合套转过一个角度，锁销与接合套上相应孔的中心线不再同心，锁销中部倒角与接合套孔端的锥面相抵触，在同步前，作用在摩擦面的摩擦力矩总大于拔销力矩，接合套被锁止不能前移，防止在同步前接合套与齿圈进入啮合。同步后摩擦力矩消失，拔销力矩使锁销、摩擦锥盘和相应的齿轮相对于接合套转过一个角度，锁销与接合套的相应孔对中，接合套克服弹簧11的张力压下钢球并沿锁销向前移动，完成换挡。

五、手动变速器的操纵机构

手动变速器操纵机构的功用是保证驾驶员能准确可靠地将变速器挂入所需要的挡位，并可随时退至空挡。

变速器操纵机构按照变速操纵杆（变速杆）位置的不同，可分为直接操纵式和远距离操纵式两种类型。

1.直接操纵式

这种形式的变速器布置在驾驶员座椅附近，变速杆由驾驶室底板伸出，驾驶员可以直接操纵。如图3-15所示，解放CA1091中型货车6挡变速器操纵机构就采用这种形式。多用于发动机前置后轮驱动的车辆。

1—5、6挡拨叉；2—3、4挡拨叉；3—1、2挡拨块；4—5、6挡拨块；5—1、2挡拨叉；6—倒挡拨叉；7—5、6挡拨叉轴；8—3、4挡拨叉轴；9—1、2挡拨叉轴；10—倒挡拨叉轴；11—换挡轴；12—变速杆；13—叉形拨杆；14—倒挡拨块；15—自锁弹簧；16—自锁钢球；17—互锁销

拨叉轴7、8、9和10的两端均支承于变速器盖的相应孔中，可以轴向滑动。所有的拨叉和拨块都以弹性销固定于相应的拨叉轴上。3、4挡拨叉2的上端具有拨块。拨叉2和拨块3、4、14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13下端的球头即伸入这些凹槽中。选挡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13绕换挡轴11的轴线摆动，从而使叉形拨杆下端球头对准与所选挡位对应的拨块凹槽，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，即可实现挂挡。例如，横向摆动变速杆使叉形拨杆下端球头深入拨块3顶部凹槽中，拨块3连同拨叉轴9和拨叉5即沿纵向向前移动一定距离，便可挂入2挡；若向后移动一段距离，则挂入1挡。当使叉形拨杆下端球头深入拨块14的凹槽中，并使其向前移动一段距离时，便挂入倒挡。

各种变速器由于挡位数及挡位排列位置不同，其拨叉和拨叉轴的数量及排列位置也不相同。例如，上述的6挡变速器的六个前进挡用了三根拨叉轴，倒挡独立使用了一根拨叉轴，共有四根拨叉轴；而东风EQ1092的5挡变速器具有三根拨叉轴，其2、3挡和4、5挡各占一根拨叉轴，1挡和倒挡共用一根拨叉轴。

2.远距离操纵式

在有些汽车上，由于变速器离驾驶员座位较远，则需要在变速杆与拨叉之间加装一些辅助杠杆或一套传动机构，构成远距离操纵机构。这种操纵机构多用于发动机前置前轮驱动的轿车，如桑塔纳2000轿车的5挡手动变速器，由于其变速器安装在前驱动桥处，远离驾驶员座椅，需要采用这种操纵方式，如图3-16所示。而在变速器壳体上具有类似于直接操纵式的内换挡机构，如图3-17所示。

1—支撑杆；2—内换挡杆；3—换挡杆接合器；4—外换挡杆；5—倒挡保险挡块；6—换挡手柄座；7—变速杆；8—换挡标记

1—5、倒挡拨叉轴；2—3、4挡拨叉轴；3—定位拔销；4—倒挡保险挡块；5—内换挡杆；6—定位弹簧；7—1、2挡拨叉轴

另外，有些轿车和轻型货车的变速器，将变速杆安装在转向柱管上，如图3-18所示，因此，在变速杆与变速器之间也是通过一系列的传动件进行传动，这也是远距离操纵方式。它具有变速杆占据驾驶室空间小，乘坐方便等优点。

为了保证变速器在任何情况下都能准确、安全、可靠地工作，变速器操纵机构一般都具有换挡锁装置，包括自锁装置、互锁装置和倒挡锁装置。其结构和原理如下。

（1）自锁装置　自锁就是对各挡拨叉轴进行轴向定位锁止，以防止其自动产生轴向移动而造成自动挂挡或脱挡。多数变速器自锁装置由自锁钢球和自锁弹簧组成，如图3-19所示。每根拨叉轴的上表面沿轴向分布有三个凹槽，当任何一根拨叉轴连同拨叉轴向移动到空挡或某一工作挡位的位置时，必有一个凹槽正好对准自锁钢球。于是自锁钢球在自锁弹簧压力作用下嵌入该凹槽内，拨叉轴轴向位置被固定，从而拨叉连同滑动齿轮（或接合套）也被固定在空挡或某一工作挡位上，不能自行脱出。

换挡时，驾驶员对拨叉轴施加一定轴向力，克服自锁弹簧的压力将钢球由拨叉轴的凹槽中挤出推回孔中，拨叉轴和拨叉轴向移动。

（2）互锁装置　互锁装置主要由互锁钢球及互锁销组成。互锁销装在中间拨叉轴的孔中，其长度相当于拨叉轴直径减去互锁钢球的半径，互锁钢球装于变速器盖的横向孔中。在空挡位置时，左右拨叉轴在对着钢球处有深度相当于钢球半径的凹槽，此时拨叉轴和互锁钢球及互锁销处于自由状态，相互之间不卡紧。当要挂挡移动某一拨叉轴时[图3-20（a）]，如移动中间拨叉轴2，两内侧的钢球便从拨叉轴2的凹槽内被挤出，而两外侧互锁钢球4和6则分别嵌入拨叉轴1和3的凹槽内，此时拨叉轴1和3便被锁止，不能轴向移动。如果要移动拨叉轴3[图3-20（b）]，必须先将拨叉轴2退回到空挡位置，使拨叉轴和互锁钢球及互锁销回到自由状态。同理，当移动拨叉轴1时[图3-20（c）所示]，另外两个拨叉轴便被锁止。

1～3—拨叉轴；4，6—互锁钢球；5—互锁销

这种互锁装置可以保证变速器只有在空挡位置时，驾驶员才可以移动任一个拨叉轴挂挡。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可能再轴向移动。

（3）倒挡锁装置　倒挡锁要求驾驶员必须对变速杆施加较大的力，才能挂入倒挡，从而防止误挂倒挡。倒挡锁一般由倒挡锁销和倒挡锁弹簧组成。如图3-21所示，倒挡锁销的杆部装有倒挡锁弹簧，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锁弹簧，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，以拨动一、倒挡拨叉轴而推入倒挡。