二、相关知识

（一）变速器的功用

现在汽车上广泛采用活塞式内燃机作为动力源，其自身的转距和转速变化范围较小，而复杂的使用条件则要求汽车的牵引力和车速能在相当大的范围内变化，为解决这一矛盾，在传动系统中设置了变速器。其功用如下。

（1）改变传动比，满足不同行驶条件对牵引力的需要，使发动机尽量工作在有利的工况下，满足可能的行驶速度要求，如起步、加速、上坡等。

（2）在发动机旋转方向不变的前提下，实现倒车行驶，用来满足汽车倒退行驶的需要。

（3）利用空挡，中断动力传递。在发动机起动、怠速运转、汽车换挡或需要停车时，中断向驱动轮的动力传递。

（二）变速器的形式

1.按传动比的变化方式划分

按传动比的变化方式不同，变速器可分为有级式变速器、无级式变速器和综合式变速器。

（1）有级式变速器有几个可选择的固定传动比，采用齿轮传动。它又可分为齿轮轴线固定的普通齿轮变速器和部分齿轮（行星齿轮）轴线旋转的行星齿轮变速器两种。

（2）无级式变速器的传动比可在一定范围内连续变化，常见的有液力式，机械式和电力式等。

（3）综合式变速器由有级式变速器和无级式变速器共同组成，其传动比可以在最大值与最小值之间几个分段的范围内作无级变化。

2.按操纵方式划分

按操纵方式的不同，变速器可分为手动变速器、自动变速器和半自动变速器。

（1）手动变速器靠驾驶员直接操纵变速杆换挡，如图2-1所示。

（2）自动变速器传动比的选择和换挡是自动进行的。驾驶员只需操纵加速踏板，变速器就可以根据发动机的负荷信号和车速信号来控制执行元件，实现挡位的变换，如图2-2所示。

（3）半自动变速器可分为两类：一类是部分挡位自动换挡，部分挡位手动换挡；另一类是预先用按钮选定挡位，在踩下离合器踏板或松开加速踏板时，由执行机构自行换挡。

（三）变速器的组成

变速器由传动机构和操纵机构组成。

变速器的传动机构的主要作用是改变转矩、转速和旋转方向，如图2-3所示。变速器的操纵机构的主要作用是控制传动机构实现变速器的传动比的变换，如图2-4所示。

常啮合齿轮变速器有5个前进挡和1个倒挡，由壳体、第1轴（输入轴）、中间轴、第2轴（输出轴）、倒挡轴、各轴上齿轮、操纵机构等几部分组成。普通齿轮变速器主要分为两轴变速器和三轴变速器两种。三轴变速器的前进挡主要由输入轴、中间轴和输出轴组成。两轴变速器的前进挡主要由输入轴和输出轴组成。

（四）普通齿轮变速器的工作原理

一对啮合传动的齿轮，设小齿轮齿数Z1＝20，大齿轮齿数Z2＝40，在相同的时间内小齿轮转过一圈时，大齿轮转过半圈。显然，当小齿轮是主动齿轮时，它的转速经大齿轮输出时就降低了；如果大齿轮是主动齿轮时，它的转速经小齿轮输出时就提高了。总传动比等于各级齿轮传动比的乘积，这就是齿轮传动的变速原理。其换挡原理是传动比变化，即挡位改变，当动力不能传到输出轴，这时就是空挡。其变向原理是相啮合的一对齿轮旋向相反，每经一传动副，其轴旋转方向改变一次；经两对齿轮传动，其输入轴与输出轴转向一致；如果在再加一个倒挡轴，变成三对传动副传递动力，则输入轴与输出轴的转向相反。

1.三轴式变速器

三轴五挡变速器有5个前进挡和1个倒挡，由壳体、第1轴（输入轴）、中间轴、第2轴（输出轴）、倒挡轴、各轴上齿轮、操纵机构等几部分组成，如图2-5所示。

（1）第1轴。第1轴和第1轴常啮合主动齿轮为一个整体，是变速器的动力输入轴。第1轴前部花键插于离合器从动盘毂中。

（2）中间轴。在中间轴上有（或固装）6个齿轮，作为一个整体而转动。最前面的齿轮与第1轴常啮合齿轮相啮合，称为中间轴常啮合从动齿轮，从离合器输入第1轴的动力经这一对常啮合齿轮传到中间轴各齿轮上。

（3）第2轴。在第2轴上，通过花键固装有3个花键毂，通过轴承安装有第2轴各挡齿轮。其中，从前向后，在第1花键毂和第2花键毂之间装有3挡和2挡齿轮，在第2花键毂和第3花键毂之间装有1挡和5挡齿轮，它们分别与中间轴上各相应挡的齿轮相啮合。在3个花键毂上分别套有带有内花键的接合套，并设有同步机构。通过接合套的前后移动，可以使花键毂与相邻齿轮上的接合齿圈连接在一起，将齿轮上的动力传给第2轴。其中，在第2个接合套上还制有倒挡齿轮。第2轴前端插入第1轴齿轮的中心孔内，两者之间设有滚针轴承。第2轴后端通过凸缘与万向传动装置相连。

（4）倒挡轴。倒挡轴采用过盈配合压装在壳体相应的轴孔中。倒挡齿轮通过轴承活套在倒挡轴上。

各挡力动力传递情况如下。

① 1挡。第1轴→第1轴常啮齿轮→中间轴→中间轴1挡齿轮→第2轴1挡齿轮→1挡同步器接合齿圈→接合套→第2轴→输出。

② 2挡。第1轴→第1轴常啮齿轮→中间轴→中间轴2挡齿轮→第2轴2挡齿轮→2挡同步器接合齿圈→接合套→第2轴→输出。

③ 3挡。第1轴→第1轴常啮齿轮→中间轴→中间轴3挡齿轮→第2轴3挡齿轮→3挡同步器接合齿圈→接合套→第2轴→输出。

④ 4挡。第1轴→1挡常啮齿轮→第1轴上4挡齿轮接合齿圈→3挡、4挡同步器接合套→第2轴→输出（直接挡）。

⑤ 5挡。第1轴→第1轴常啮齿轮→中间轴→中间轴第5挡齿轮→第2轴5挡齿轮→5挡同步器接合齿圈→接合套→第2轴→输出（超速挡）。

⑥ 倒挡。第1轴→第1轴常啮齿轮→中间轴→中间轴倒挡齿轮→倒挡轴上的倒挡齿轮→第2轴上倒挡齿轮→第2轴倒挡齿轮接合齿圈→倒挡同步器接合套→第2轴→输出。

2.两轴变速器

两轴变速器主要由输入和输出两根轴组成。与传统的三轴变速器相比，由于省去了中间轴，在一般挡位只经过一对齿轮就可以将输入轴的动力传至输出轴，所以传动效率要高一些；同样因为任何一挡都要经过一对齿轮传动，所以任何一挡的传动效率又都不如三轴变速器直接挡的传动效率高。

轿车手动变速器多采用两轴式变速器，如奥迪100型、一汽捷达、神龙富康、天津威驰、东南菱帅等轿车。两轴式变速器的特点是只有输入轴和输出轴（不包括倒挡轴）两根轴，无中间轴，且输入轴与输出轴平行。

前置发动机有纵向布置（如奥迪100型、桑塔纳）和横向布置（宝来、捷达、东南菱帅、花冠、威驰）两种形式，所以与其配用的两轴式变速器也有两种不同的结构形式。

（1）发动机前置纵向布置的两轴式变速传动机构。当发动机前置纵向布置时，发动机旋转方向与车轮旋转方向垂直，所以主减速齿轮为一对锥齿轮。变速器壳体由铝合金的前壳体和后壳体（变速器盖）两部分组成。变速器的输入轴由一个球轴承和两个输入轴滚针轴承支撑。1挡、2挡、倒挡主动齿轮与轴制成一体，3挡、4挡主动齿轮分别用滚针轴承空套在输入轴上，而5挡主动齿轮则压入在输入轴上。轴的花键上套有3挡、4挡同步器的花键毂。轴的油封装在离合器分离轴承的定位套筒上。

变速器的输出轴两端用圆锥滚子轴承支撑在壳体上，且在后端轴承处有一控制轴热膨胀长度的调节器。轴前端与主减速器主动锥齿轮制成一体，1挡、2挡、5挡、倒挡的从动齿轮分别用滚针轴承空套在轴上，并分别装有承受轴向力的卡环。5挡、倒挡和2挡、2挡的同步器花键毂分别用花键和轴相连，且用卡环轴向定位。集油器把飞溅的润滑油收集起来，并通过孔道流至输入轴和输出轴右端的轴承处，以保证其充分润滑。

奥迪100型轿车变速器各挡齿轮的传动路线如图2-6所示。

由上述分析可知，两轴式变速器挂前进挡时，从输入轴到输出轴只通过一对齿轮传动，而倒挡传动路线也只加一个中间齿轮，因而机械传动效率高，噪声小。

（2）发动机前置横向布置的两轴式变速传动机构。当发动机横向布置时，由于变速器的输出轴与驱动桥轴线平行，故主减速器采用一对圆柱斜齿轮来实现动力传递。例如，宝来、捷达、东南菱帅、花冠、威驰等新型国产轿车的变速器均采用该种形式。

图2-7所示为丰田轿车变速器结构示意图。它有5个前进挡和1个倒挡，全部采用同步器换挡。主减速器、差速器与变速器均装于同一壳体中。

威驰轿车变速器各挡动力传送线路如图2-8～图2-11所示。

（五）同步器

1.无同步器时变速器的换挡过程

现以图2-12所示无同步器的5挡变速器中4挡、5挡互相转换的过程为例，说明其换挡过程。

（1）由低速挡换入高速挡。变速器在4挡工作时，接合套3与第2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，因第2轴4挡齿轮4的转速低于第1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2-13（a）所示；而整个汽车的转动惯性大，导致接合套3（与第2轴转速相同）的圆周速度V3下降慢，因图2-13（a）所示两直线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第1轴更快地减速，V2下降较快，如图2-13（a）所示的虚线，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2-13（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点B开始升速，让V4>V3，如图2-13（b）所示的虚线，再踩下离合器踏板稍等片刻，V3=V4（同步点A），即可换入4挡。

图2-13（b）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，而且会降低齿轮的使用寿命。

2.同步器的功用

同步器的主要功用：使接合套与待接合齿圈两者之间能迅速同步；阻止在同步之前齿轮进行啮合；防止产生接合齿圈之间的冲击；缩短换挡时间，快速完成换挡操作；延长齿轮寿命。

3.同步器的组成及分类

目前所使用的同步器几乎都是采用摩擦式同步装置，但其锁止装置不同，因此工作原理也有所不同。按工作原理不同，同步器可分为常压式、惯性式和自行增力式等种类。这里仅介绍目前广泛采用的惯性式同步器。

4.惯性同步器的结构及工作原理

变速器在换挡过程中，必须使所选挡位的待啮合齿轮轮齿的圆周速度相同（即同步），才能平顺地进入啮合而挂上挡。如果在未达到同步时强制挂挡，势必因两齿轮间存在速差而发生冲击和噪声。这样，既不易挂挡，又使齿端部磨损加剧而影响齿轮的寿命，甚至折断轮齿。无论是常压式、惯性式还是自行增力式同步器，都是利用摩擦原理实现同步。现代汽车上广泛使用的是惯性同步器，其可以从结构上保证待啮合的接合套与接合齿轮的接合齿圈轮齿在达到同步之前不可能接触，直接避免齿间冲击和噪声。惯性同步器按结构又分为锁环式和锁销式两种。

（1）锁环式惯性同步器。锁环式惯性同步器是轿车，轻、中型货车最常用的惯性同步器。该同步器一般包括接合套、锁环、花键毂、齿轮、滑块等几个部分，如图2-14所示。

工作原理：花键毂与第2轴用花键连接，并用垫片和卡环作轴向定位。在花键毂两端与齿轮之间，各有一个青铜制成的锁环（也称同步环）。锁环上有短花键齿圈，花键齿的断面轮廓尺寸与齿轮及花键毂上的外花键齿均相同。在两个锁环上，花键齿对着接合套的一端都有倒角（称锁止角），且与接合套齿端的倒角相同。锁环具有与齿轮上的摩擦面锥度相同的内锥面，内锥面上制出细牙的螺旋槽，以便两锥面接触后破坏油膜，增加锥面间的摩擦。3个滑块分别嵌合在花键毂的3个轴向槽内，并可沿槽轴向滑动。在两个弹簧圈的作用下，滑块压向接合套，使滑块中部的凸起部分正好嵌在接合套中部的凹槽中，起到空挡定位作用。滑块的两端伸入锁环的3个缺口中。只有当滑块位于缺口的中央时，接合套与锁环的齿方可能接合。

（2）锁销式惯性同步器。在中型及大型载货汽车变速器的各挡中，目前较普遍地采用锁销式惯性同步器进行换挡。如图2-15所示。当变速器的第2轴上的常啮齿轮及其接合齿圈直径较大时，装用锁销式同步器不仅使齿轮的结构形式合理，而且还可在摩擦锥面间产生较大的摩擦力矩，从而缩短同步时间。锁销式同步器的工作原理与上述锁环式惯性同步器基本相同。具有转速差的摩擦锥环与摩擦锥盘产生摩擦，同步前，有摩擦力矩，接合套被锁止，同步后，惯性力矩消失，锁销与接合套相应对中，接合套沿锁销轴向移动，与花键齿圈啮合，顺利地换挡。

（六）变速器操纵机构

变速器操纵机构应保证驾驶员能准确可靠地使变速器挂入所需要的任一挡位工作，并可随时使之退到空挡，大多数汽车变速器布置在驾驶员座位附近，变速杆由驾驶室底板伸出，驾驶员可直接操纵，这种操纵机构又称为直接操纵式变速器操纵机构。该机构一般由变速杆拨块、拨叉、拨叉轴以及安全装置等组成，多集中于上盖和侧盖内，结构简单，操作方便。在图2-16所示的汽车6挡变速器操纵机构的组成与布置示意图中，拨叉轴7、8、9、10的两端均支撑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挡、4挡拨叉2的上端具有拨块。拨叉2和拨块3、4、14顶部制有凹槽，变速器处于空挡时，各凹槽在横向平面对齐，叉形拨杆13下端的球头伸入这些凹槽中，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。不同变速器的挡数和操纵机构的结构与布置都有所不同，相应于各个挡位的变速杆上端手柄位置排列（挡位排列）也不相同。因此，汽车驾驶室仪表板上和操纵手柄上应标有该车变速器挡位排列图。

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，这种操纵机构称为间接操纵式变速器操纵机构，它具有足够的刚性，且各连接件间隙不能过大，否则换挡时手感不明显。

变速器操纵机构能让驾驶员使变速器挂上或摘下某一挡，从而改变变速器的工作状态。为了保证变速器的可靠工作，变速器操纵机构应能满足以下要求。挂挡后应保证接合套与接合齿圈的全部套合（或滑动齿轮换挡时，全齿长都进入啮合）；在振动等条件影响下，操纵机构应保证变速器不自行挂挡或自行脱挡。为此，在操纵机构中应设有自锁装置，防止自动脱挡，如图2-17所示；为了防止同时挂上两个挡而使变速器卡死或损坏，在操纵机构中设有互锁装置，如图2-18所示；为了防止误挂倒挡，在变速器系操纵机构中还应设置到倒挡锁装置。

1.自锁装置

挂挡过程中，若操纵变速杆推动拨叉前移或后移的距离不足时，齿轮将不能在全齿宽上啮合，而影响齿轮的寿命，即使达到全齿宽上啮合，也可能由于汽车振动等原因，齿轮产生轴向移动而减少了齿的啮合长度，甚至完全脱离啮合，为防止上述情况出现应设置自锁装置。如图2-19所示，自锁装置由自锁钢球1和自锁弹簧2组成，每根拨叉轴的上表面沿轴向分布3个凹槽，当任一根拨叉轴连同拨叉轴向移动到空挡或某一工作位置时，必有一个凹槽正好对准自锁钢球，于是钢球在弹簧压力下嵌入该凹槽，拨叉轴的轴向位置就被固定，从而拨叉连同滑动齿轮也被固定在空挡或某一工作挡位置不能自行脱出，当需要换挡时，驾驶员必须通过变速杆对拨叉和拨叉轴施加一定的轴向力克服弹簧的压力，将钢球由拨叉轴的凹槽中挤出推回孔中，拨叉轴和拨叉才能再进行轴向移动，拨叉轴上表面相邻凹槽之间的距离，等于为保证在全齿宽上啮合或完全退出啮合所必需的拨叉及其轴的移动距离。

2.互锁装置

若变速杆能同时推动两个拨叉同时挂入两个挡位，则必将造成齿轮间的机械干涉，变速器将无法工作，甚至损坏，为此应设置互锁装置，如图2-20所示。互锁装置是由互锁钢球和互锁销组成的，每根拨叉轴朝向互锁钢球的侧表面上均制出一个深度相等的凹槽，任一拨叉轴处于空挡位置时，其侧面凹槽都正好对准互锁钢球，两个互锁钢球直径之和正好等于相邻两轴之间的距离加上一个凹槽的深度，中间拨叉轴上两个侧面凹槽之间有孔相通，孔中有一根可以移动的互锁销，销的长度等于拨叉轴的直径减去一个凹槽的深度。

当变速器处于空挡位置时，所有拨叉轴的侧面凹槽同钢球、互锁销都在一条直线上，当移动中间拨叉轴时，其两侧的内钢球从侧凹槽中被挤出，而两外侧钢球则分别嵌入拨叉轴的侧面凹槽中，所以将拨叉轴1、拨叉轴5刚性锁止在空挡位置，若移动拨叉轴5，则应先将拨叉轴3退回到空挡位置，于是，在移动拨叉轴5时，钢球4便从拨叉轴5的凹槽中被挤出，同时通过互锁销6和其他钢球将拨叉轴3、拨叉轴1都锁止在在空挡位置。同理当移动拨叉轴1时，拨叉轴3、拨叉轴5被锁止在空挡位置，由此可知互锁装置的作用是当驾驶员用变速杆推动某一拨叉轴时，自动锁止其他所有拨叉轴。

3.倒挡锁装置

汽车行进中若误挂倒挡，变速器齿轮将发生极大冲击，导致零件损坏，汽车起步时，若误挂倒挡，则容易出现安全事故，为此应设置倒挡锁。

图2-21所示为常见的锁销式倒挡锁装置。当驾驶员想挂倒挡时，必须用较大的力使变速杆4下端压缩倒挡锁弹簧2，将倒挡锁销1推入锁销孔内，才能使变速杆下端进入倒挡拨块3的凹槽中进行换挡。由此可见，倒挡锁的作用是使驾驶员必须对变速杆施加更大的力，才能挂入倒挡，起到警示注意作用，以防止误挂倒挡。

（七）分动器

分动器的功用是将变速器输出的动力分配到各驱动桥，并且进一步增大扭矩。分动器也是一个齿轮传动系统，它单独固定在车架上，其输入轴与变速器的输出轴用万向传动装置连接，分动器的输出轴有若干根，分别经万向传动装置与各驱动桥相连。

对分动器操纵机构的设计要求：非先接上前桥，不得挂入低速挡，不得摘下前桥。

东风EQ2080型车两挡分动器的结构和原理，如图2-22所示。