2.3 变速器
车辆在起步、爬坡及重负载时，需要较大驱动力，以免车辆因扭矩不够而抖动，甚至熄火；而在平坦路面高速行驶时，则无须太大驱动力，反而要有较高转速，以节省燃料；且必要时，车辆要能倒退。另外，变速器的各挡变速齿轮，可提高车辆的行驶性能，使发动机在最经济、有效的情况下使用，且变速段分得越多，车辆的行驶性能越理想，但变速段分得太多，会导致行车操控不便，故各变速段间的齿轮减速比，应存在一定的关系，使行车操控方便。
综上所述，变速器须具备下列的功能：
（1）增加减速比，以增大车轮扭矩。
（2）增加车轮的转速，以节省燃料。
（3）改变车轮的转动方向，以利倒车行驶。
（4）利用空挡的作用，切断发动机与车轮间的动力。
2.3.1 齿 轮
齿轮可传递较大的扭矩，且可得确定的速度比，故广泛应用在变速器等构件上。
一 齿轮的特性
（1）齿轮（见图2-15）与齿轮之间的动力传递不会产生滑动，因而主动轴与从动轴的速度比可保持一定。
（2）可改变运动方向：当两齿轮是外接时，两齿轮转动方向相反，但若在两齿轮间加一惰轮，则转动方向就会发生变化；而内接时，其转动方向相同。
（3）可改变扭矩或转速：当减速比大于1时，产生减速作用，即被动轮转速变小、扭矩变大；当减速比小于1时，产生加速作用，即被动轮转速变大、扭矩变小。
（4）齿轮与齿轮直接接触传动，所占空间较小，但两轴间的距离不能相距太远。
图2-15 齿轮
二 减速比
齿轮的作用如图2-16所示。大齿轮A为主动轮，节圆半径Ra（直径Da），转速Na，齿数ta，扭矩Ta；小齿轮B为被动轮，节圆半径Rb（直径Db），转速Nb，齿数tb，扭矩Tb。
图2-16 齿轮的作用
（1）大齿轮A的齿距为Pc，a=
，小齿轮B的齿距为Pc，b=
因为两齿轮的齿距相等（注：齿距为沿节圆上一齿的任意点到相邻齿上对应点的弧线距离，如P1、P2。），所以
即
=
，两齿轮的齿数与节圆直径成正比。
（2）又两齿轮接触点上的切线速度（V）相等，所以，
即两齿轮的转速与节圆直径成反比。
（3）若大齿轮A作用在小齿轮B的力为F，依据力矩原理可得
大齿轮A的扭矩为Ta=FRa；小齿轮B的扭矩为Tb=FRb。所以扭矩比
=
=
。
即两齿轮的扭矩与节圆直径成正比。故
即两齿轮的扭矩与节圆直径、齿数成正比，而与转速成反比。
2.3.2 变速器种类
一 手动变速器种类
变速器有手动变速器与自动变速器两大类。手动变速器可分滑动式、永久啮合式与同步式等三大类，目前以同步式使用最为广泛。
1 滑动式
滑动式手动变速器使用正齿轮，且换挡时须将齿轮前、后移动，因此长度较长（见图2-17）；且因主轴齿轮的周边线速度与副轴齿轮的周边线速度并不相同，因而换挡时齿轮啮合困难，必须使用离合器，才能顺利换挡。因为换挡困难、齿轮磨损快与噪声大等缺点，该类变速器已被淘汰。
2 永久啮合式
永久啮合式手动变速器采用斜齿轮，且副轴上各挡齿轮与主轴上各齿轮直接啮合在一起（见图2-18）；换挡时，移动齿轮接合套将换挡齿轮与齿轮接合套相接合，故可减少噪声，延长使用寿命，但仍有用离合器来换挡及齿轮侧推力较大的缺点。
图2-17 滑动式手动变速器（低速挡）
图2-18 永久啮合式手动变速器
3 同步式
同步式手动变速器是永久啮合式手动变速器的改良（见图2-19）。在齿轮接合套上装等速调节装置，称为同步调速装置，如此可使换挡容易而无噪声，且不必使用离合器换挡，甚为方便，已为车辆广泛使用。
图2-19 同步式手动变速器
二 自动变速器种类
自动变速器可分为机械式、液压机械式与电子控制式等三大类。
1 机械式
机械式自动变速器包含了钢带及一组钢带盘（见图2-20）。钢带沟深度受油压控制，自静止起步至最高速度时，产生无段式的变速，且没有换挡的冲击及能提供高度运转性能。
图2-20 机械式自动变速器
2 液压机械式
液压机械式自动变速器由液体传动部分（如液力变矩器）、机械齿轮变速机构（如行星齿轮组）及控制换挡动作的油压控制系统等组成，如图2-21所示（图中PRND21是挡位置示）。
图2-21 液压机械式自动变速器
3 电子控制式
电子控制式自动变速器是目前自动变速器的通称。一般自动变速器的变速操作都是由油压控制的，而电子控制式自动变速器则以电子来控制油压的操控部分，使变速反应迅速而灵敏，且变速模式可以增多，以提高车辆的加速性及经济性。
头脑风暴
◎变速器为何能够增进扭力？
2.3.3 同步式变速器
同步式变速器一般有4个前进挡（1、2、3、4挡）及1个倒退挡，或另加一超速传动挡，即形成5个前进挡及1个倒退挡。通常由变速器外壳、变速器延伸壳、离合器轴、主轴、副轴、各挡齿轮、同步器调速总成与变速操纵机构等组成，如图2-22所示。
图2-22 同步式变速器
一 构件
1 变速器外壳
小型车的变速器外壳由铝合金压铸而成，作为变速器的骨架，其上有加油及测量油面高度等装置。
2 变速器延伸壳
用以安装变速操纵机构、里程表驱动装置及倒车灯开关等。
3 离合器轴
离合器轴是变速器的输入轴（主动轴）。离合器轴上铸有一主驱动齿轮，将球轴承安装在变速器外壳上；其前端与飞轮（或曲轴）的向导轴承相浮接，以保持曲轴与离合器轴在同一中心线上，后端亦以向导轴承与主轴相浮接，以支撑主轴质量并保持两轴在同一中心线上。
4 主轴
主轴是变速器动力输出轴。轴上各齿轮依大小顺序与副轴齿轮相啮合，但在主轴上空转。其同步器可在轴上左右移动，以作为换挡之用。
5 副轴
轴上各齿轮与轴制成一体（转动），各齿轮的齿数不同，产生变速作用。
6 惰轮轴
轴上装有一惰轮，作为倒挡改变动力的传动方向。
7 同步器调速总成
同步器调速总成由同步中心齿毂、同步齿套、调速铜锥环、调速键等组成，并与主轴啮合传动。在换挡时，能自动调节欲啮合的两齿轮的速度，使周边线速度相近，完成换挡动作。
8 变速操纵机构
变速操纵机构有直接操纵式与遥控操纵式两种。由变速拨叉与变速拨叉轴传递变速杆的动作，并使同步机构的同步齿套做轴向移动，以进行换挡动作。
二 键式同步器调速总成
1 构造
键式同步器调速总成构造如图2-23所示。
图2-23 键式同步器调速总成构造
（1）同步中心齿毂。同步中心齿毂内、外皆有齿槽。内齿槽与主轴的槽齿相啮合，外齿槽与同步齿套的内槽齿相啮合，且其外齿毂上尚有3～4道键槽，以装置调速键。
（2）同步齿套。同步齿套内槽齿与同步中心齿毂齿槽相啮合，齿套上有槽沟，以安装变速拨叉；换挡时，变速拨叉可使齿套在中心齿毂上左、右滑动。
（3）调速键。通常有3～4块调速键安装在同步中心齿毂的键槽上，并用2条环形键弹簧将调速键向外压紧在同步齿套的凹槽上。换挡时，调速键挤压调速铜锥环，使调速铜锥环与主轴齿轮产生调速作用。
（4）调速铜锥环。调速铜锥环内有锥状细纹沟槽，外部并制有犬齿。换挡时，调速铜锥环受调速键挤压，锥状细纹沟槽与主轴锥体部相啮合，由两者摩擦产生调速作用，使主轴齿轮与调速铜锥环（同步器调速总成）的线速度相等，顺利完成换挡动作。
2 调速作用
调速作用如图2-24所示。下面以1挡换2挡为例进行说明。
（1）换挡前，主轴2挡齿轮与副轴2挡齿轮相啮合，并在主轴上高速空转，而同步器调速总成则与主轴一起低速转动。换2挡时，变速拨叉将同步齿套向主轴2挡齿轮滑动，同时带动调速键挤压调速铜锥环，使其内部锥状细纹沟槽向左轻抵主轴2挡齿轮锥体部，产生轻微摩擦，此时同步齿套尚未与高速铜锥环犬齿相啮合。
图2-24 调速作用
（2）当同步齿套越过调速键凸出部继续向左滑动，此时调速键向调速铜锥环施予更大挤压力，促使调速铜锥环内部锥状细纹沟槽与主轴2挡齿轮锥体部更紧密配合，如此由两者摩擦作用，使调速铜锥环与主轴2挡齿轮的速度几近相等，且此时同步齿套已越过调速铜锥环接合套，使同步齿套与调速铜锥环一起转动。
（3）当同步齿套、调速铜锥环与主轴2挡齿轮线速度相同时，齿套很容易越过调速铜锥环的接合套，而与主轴2挡齿轮的接合套相啮合，完成调速与换挡的动作。
调速工作的顺序如下：变速拨叉→同步齿套→调速键→调速铜锥环→调速铜锥环锥状细纹沟槽→主轴齿轮锥体部→同步齿套、调速铜锥环上的接合套与主轴（2挡）齿轮上的接合套线速度相同→完成调速与换挡。
2.3.4 各速挡动力传递及减速比
发动机发动，离合器踏板未踩下时，无论在何种挡位，发动机动力即经由离合器轴→离合器轴驱动齿轮→副轴驱动齿轮→副轴各挡齿轮→主轴1、2、3挡及惰轮轴齿轮，主轴1、2、3挡齿轮在主轴上空转。
一 空挡
变速拨叉未移动，因而主轴上的1、2、3挡齿轮在主轴上空转，主轴没有动力输出。
二 1挡
1挡动力传递路线如图2-25所示。
（1）变速拨叉将1、2挡同步器总成向右滑动，与主轴1挡齿轮的接合套相啮合，因而发动机动力由离合器轴→离合器轴驱动齿轮→副轴驱动齿轮→副轴1挡齿轮→主轴1挡齿轮→主轴1挡齿轮的接合套→1、2挡同步器总成（同步齿套→同步中心齿毂）→主轴→动力输出。
图2-25 1挡动力传递路线
三 2挡
2挡动力传递路线如图2-26所示。
（1）变速拨叉将1、2挡同步器总成向左滑动，与主轴2挡齿轮的接合套相啮合，因而发动机动力由主轴2挡齿轮的接合套→1、2挡同步器总成→主轴→动力输出。
图2-26 2挡动力传递路线
四 3挡
3挡动力传递路线如图2-27所示。
（1）变速拨叉将3、4挡同步器总成向右滑动，与主轴3挡齿轮的接合套相啮合，因而发动机动力由主轴3挡齿轮的接合套→3、4挡同步器总成→主轴→动力输出。
图2-27 3挡动力传递路线
五 4挡（直接传动）
4挡动力传递路线如图2-28所示。
（1）变速拨叉将3、4挡同步器总成向左滑动，与离合器轴驱动齿轮的接合套相啮合，此时离合器轴与主轴成一体转动，因而发动机动力直接由离合器轴向主轴输出。
（2）减速比=1：1。
图2-28 4挡动力传递路线
六 倒挡
倒挡动力传递路线如图2-29所示。
图2-29 倒挡动力传递路线
（1）变速拨叉将主轴倒挡齿轮向左滑动，与倒挡惰轮相啮合，因而发动机动力由离合器轴驱动齿轮→副轴驱动齿轮→副轴倒挡齿轮→惰轮轴惰轮齿轮→主轴倒挡齿轮→主轴→动力输出。其中惰轮轴惰轮齿轮用以改变动力转动的方向，而与倒挡减速比无关。
2.3.5 变速器操纵机构
变速器操纵机构由变速杆、变速滑轨、拨叉（杆）、定位机构及联锁装置等组成。
一 变速器操纵机构种类
变速器操纵机构有晋级式与选择式两大类。晋级式变速时，由低速挡依序换挡到最高速挡，一般用于机车；选择式可分为直接操纵式与遥控操纵式两大类，一般用于轿车上。
（1）直接操纵式有连杆式[见图2-30（a）]及整体式[见图2-30（b）]两种。整体式操纵变速杆时，直接移动变速滑轨与拨叉；而连杆式操纵变速杆时，须借由连杆连接到变速器内，以操控变速滑轨与拨叉。
图2-30 直接操纵式变速机构
（2）遥控操纵式以转向盘柱式为主（见图2-31）。转向盘柱式操纵变速杆时，直接操控拨杆。两根拨杆均作为拨动拨叉之用，或一根拨杆作挡位（1、2、3、4挡或倒挡）选择用，另一根拨杆作为拨动拨叉推向各挡位（1、2、3、4挡或倒挡）之用。
图2-31 转向盘柱式变速机构（1选择杆1拨动杆型）
二 定位机构与联锁装置
（1）定位机构由定位钢珠、定位弹簧及变速滑轨等组成。当变速滑轨移到所需位置时，定位弹簧把定位钢珠压入滑轨凹槽，以固定滑轨位置，防止因振动产生的跳挡现象，如图2-32所示。
图2-32 定位机构
（2）联锁机构由联锁销、钢珠及变速滑轨等组成。当一根变速滑轨（A）移动后，由联锁销及钢珠的装置，防止另一根变速滑轨（B或C）的移动，以防止两组主轴的挡位齿轮同时与主轴啮合，导致变速器受损。唯有先前变速滑轨（A）移回空挡（凹槽对正钢珠）时，变速滑轨（A、B、C）始能再移动，进行换挡动作，如图2-33所示。
图2-33 联锁装置