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「手动变速器」的工作原理是什么有哪些分类与
作者:世界扑克大赛    发布日期:2020-06-28 23:07


  其实和阿基米德的杠杆有些类似。杠杆可以让力变得更大(但是行程会变长)或者更小(但是行程会变短),如果让一个力在那儿转圈圈,那我们就得到了扭矩和转速——而这也是变速箱主要处理的东西。由于能量守恒且

  变速箱存在的必要性这里就不多说了,很多地方都有科普,说一说实现这一目的的几种方式。

  多数变速箱使用的是齿轮组,CVT使用的则是钢带。其中齿轮组又可以划分成平行轴齿轮组和行星齿轮组,手动变速箱使用的是平行轴齿轮组。

  说起齿轮,常识告诉我们,单独的一个齿轮是没有任何用处的,必须要两个齿轮互相啮合才能起作用,这样的一对互相啮合的齿轮,机械学科里叫做“齿轮副”。下面就是一个齿轮副:

  既然我蛋疼数了一下齿数,我也敢这么说:左边的齿轮和右边齿轮的半径比是2:3。

  当然这么说是极其极其极其不严谨的,正确表述应当是:这两个齿轮若正确安装,其节圆半径比例是2:3

  原理很好理解:两个齿轮要互相啮合,齿的大小(严谨说法是模数)应当一样,这个很好理解,所以一个齿轮的周长(严谨说法是节圆周长)和齿数线性相关,而周长又和半径(严谨说法是节圆半径)线性相关,所以上面这两个齿轮齿数一个20一个30,其节圆半径一定是2:3。

  说了半天“节圆”,节圆是个什么玩意儿?严格的定义就不敲了,百度百科这点还是准的。我们可以换一个方向来理解。

  两个刚性的圆柱互相接触,在接触点拥有足够的摩擦力,这样一个转动的时候另一个也会跟着转动,这样的圆就是“节圆”。

  假如左边齿轮是动力的输入端,那么很简单,输出端(右边)的齿轮会减速、増扭,而且很容易算出扭矩会变成左边齿轮的1.5倍,转速则降低至左边齿轮2/3。

  假如右边是动力的输入端呢?同样的,输出端(左边)齿轮会减扭、增速,同样的,转速会变成右边齿轮的1.5倍,扭矩降至右边齿轮的2/3。

  OK,恭喜,这就是变速箱当中一个非常重要的概念——传动比(transmission ratio)。

  传动比的定义,是指传动机构的输入速度/角速度/转速与输出速度/角速度/转速的比值。在上图的这个齿轮副当中,若左侧为输入,则传动比为3/2,若右侧为输入,则传动比为2/3。很明显,当传动比1的时候,即为减速、増扭,反之当1的时候,则为增速、减扭。

  当然,上面的齿轮是非常理想化的,现实当中的变速箱为了降低噪音、增加平顺性,往往在前进挡上使用斜齿轮:

  我们常说的1234567挡,其实指的就是一系列离散的传动比。主流变速器当中的手动变速器(MT)、自动变速器(AT)、半自动变速器(AMT)、双离合变速器(DCT)的传动比都是一系列离散值,而无段自动变速器(CVT)的传动比可以在一定范围内连续变化。这里涉及到CVT的钢带传动就不多说了,我们还是看MT。我的手动破福克斯的MMT6变速箱传动比如下:

  这是因为在变速箱之外,还有一套减速器,称为主减速器(Final Drive)。根据齿轮副的特性,多个齿轮副的传动比需要相乘,不难算出这破车的主减速器的传动比是4.06左右。

  在一些人的脑中,变速箱里面是一堆齿轮,在1挡的时候是某个传动比的齿轮副啮合,换2挡的时候,1挡齿轮就互相松开,然后换2挡的齿轮啮合。

  其实也不能说不对,这种通过让不同齿轮组啮合实现传动的变速箱,叫Sliding Mesh Transmission(滑动齿轮变速器),目前绝大多数市售车都不采用这种设计了。目前的主流是Constant Mesh Transmission(常啮合变速器)。先上“照片”:

  在这样的变速器当中,齿轮组都安装在三根互相平行的轴上,所以这类结构被称为“平行轴”。

  绿色的齿轮连接离合器,可以理解为变速箱的输入轴。轴上的齿轮与输入轴硬连接同步转动。

  白色的轴(的右半部分)则是变速箱的输出轴——注意输出轴上的齿轮除了倒挡齿轮之外都是涂成的红色,原因是这些齿轮在空挡状态下和输出轴之间不固定,输出轴可以自由转动。

  蓝色的是连接这两根轴的桥梁,这是中间轴,注意中间轴上的齿轮都是蓝色,这是因为中间轴齿轮和轴是固定的。

  从这里我们就可以看到,其实在任何时候,变速箱当中的所有齿轮都是始终啮合的(除了倒挡),我们的“换挡”,只是选择这么多互相啮合的齿轮组当中,哪一个能够起作用。换句话说,“换挡”这一行为,其实调整的是动力的传递路径。通过什么来完成这一动作?

  通过花键轴和牙嵌离合器(Dog Clutch)。换挡杆会带动不同的拨叉,拨叉与对应的套筒相连,套筒可以在花键轴上滑动,套筒端面装着牙嵌离合器,当牙嵌离合器与对应的输出轴齿轮接合的时候,这个齿轮就相对于输出轴固死了,输出轴就会跟随这个齿轮转动,动力就走这个齿轮副输出。

  比较特殊的是上图变速箱中的5挡,接合5挡之后,牙嵌离合器会将输入轴与输出轴直接连接起来,这时候动力就直接输出,不经过任何齿轮副。但是负责将这两根轴接为一根轴的还是牙嵌离合器。

  上半截图是空挡状态,下半截图,换挡拨叉带动套筒向右移动,牙嵌离合器与右侧的齿轮接合,此时轴就和右侧的齿轮固死同步转动。

  那么问题来了,在空挡状态下,输出轴和输出轴上的齿轮,互相之间是不固定的。而挂入某个挡,就是要让输出轴和输出轴上对应的齿轮固定起来。如果这时候,轴和齿轮之间转速不一致怎么办?

  这其实可以顺带解答一个问题:为什么现在绝大多数汽车采用常啮合变速器。因为可以安置同步器。

  事实上,在拨叉带着套筒套筒带着狗牙怼向某个齿轮的时候,齿轮和输出轴之间转速不一致那才是常态。

  就举一个非常明显的例子:上面GIF里面的变速器从4挡进到5挡的时候,5挡的变速器传动比是1,4挡一定是大于1的。我们将换挡这个动作视为很快完成,各个零部件的转速——包括车速——基本不变的线转开始升档,这时候由于走的是4挡传动比,变速箱输出轴的转速一定会慢于3000rpm,而由于离合器处于踩下去的状态,变速箱输入轴也不会受到发动机制动的影响而跟着发动机转速减慢,可以理解为仍然在以3000转的速度转动,这时候推进5挡,就相当于要把一个3000转的轴和一个转速低于3000转的轴强行连接起来。

  要知道那可是狗牙离合器,对于转速差可是眼里不揉沙子的。于是,轻则推不动,大力出奇迹的话就会听到变速箱发出一声恐怖的哀嚎“krrrr~krrrrrrrrrr”。

  这就是所谓的“打齿”。不少人以为所谓的“打齿”就是传动齿轮因为没有啮合好发生撞击其实这是不对的,发出这声音的是狗牙,它在没有正确咬合的时候就会发出这样的重金属闷响。

  同步器牺牲自己让换挡变得更简单,但是同步器并不是一个很古老的发明,在它普及之前,司机必须自己去同步转速——靠接合离合器后用发动机控制目标档位的输出轴齿轮转速,让他与当前车速下的输出轴转速尽可能接近然后挂挡,总之,很复杂。很手忙脚乱。也正是因为这个原因,滑动齿轮变速器现在早已让位给了带同步器的常啮合变速器。

  需要说明的是,车子在进入倒挡的时候,需要将一个额外的齿轮从旁边推进来,这样的操作类似于滑动齿轮变速箱,所以,手动变速箱倒挡一般是没有同步器帮忙的,在挂入倒挡之前,需要把车停住。

  车子在换挡期间还在行驶,而且汽车那可是很重的,惯性非常大,对应的,变速箱输出轴的转速并没有那么容易改变,因此同步器在“同步”目标档位对应的输出轴齿轮与输出轴之间的转速的时候,实际上是将输出轴齿轮的转速单方面改成和输出轴转速一样。

  而输出轴齿轮和中间轴齿轮是常啮合,中间轴齿轮又和输入轴齿轮常啮合,所以,同步器改变的不仅仅是输出轴齿轮的转速,还连带改变了中间轴和输入轴的转速,这也就可以解答下一个问题:

  从变速箱输出轴齿轮到中间轴再到输入轴,这一部分的转动惯量并没有多少,同步器在同步这一部分的运动状态与输出轴-整车这一部分的运动状态的时候,由于后半部分的“整车”这一块惯性实在太大,基本上不会受到这一同步过程的影响,自然也就不会感受到顿挫。

  直到离合器将另外一个武德充沛蛮力不小的东西接进来——发动机。所以顿挫,都是发生在掰完换挡杆抬离合的那一瞬间。

  说起离合器,很多新手司机都对“慢抬离合”这种玄学动作有心理阴影导致此生都开不了三个踏板的车。其实离合器是很可怜的,它受到的负荷可比同步器要大得多——从某种程度来说,它是发动机与整车的“同步器”,一边是动辄输出好几百Nm扭矩的汽车心脏,一边是一吨多两吨多的整车,这位同学可以说受的是夹板气。。就是它——

  压盘的动力来自蓝色的那个玩意儿,那是一个膜片弹簧。红色的分离叉受到离合器踏板的控制,踩下去的时候,膜片弹簧中心下压,边缘上翘,就会让离合器片与飞轮松开接触,动力处于断开状态,反之,膜片弹簧边缘下压,就会将压盘压住离合器片,进一步压在飞轮上,此时动力处于接合状态。

  这时候,变速箱输出轴的转速不足3000转,在同步器的帮助下,变速箱输入轴连同离合器片的转速也被降到了3000转以下,那么,想一想最理想的接合离合器的时机是什么?

  自然也就是一样在3000转以下抬左脚结合离合器,这样两边转速一致,就不会产生顿挫。那么问题来了,怎么才能让发动机转速从3000rpm降到3000rpm以下?

  所以,只需要掌握转速匹配(rev-matching),汽车在正常行驶过程中其实是不用“慢抬离合”的,不好好匹配转速,然后靠慢抬离合减轻顿挫,这是在牺牲离合器的寿命。

  发动机→变速箱输入轴→变速箱中间轴→变速箱输出轴齿轮→变速箱输出轴→驱动轴→(主减速器&差速器)→驱动半轴→车轮

  整个动力流的路径当中有两处是可以断开的,一处是变速箱输出轴与齿轮,只要挂上空挡动力就是断开的,另一处就是发动机与变速箱之间的离合器,踩下离合动力也是断开的。所以手动挡的汽车,挂上空挡或者踩下离合,不管怎么踩油门车轮都得不到动力。

  问题就在于,前面已经介绍了换挡实际上就是调整输出轴和齿轮之间的结合状态,在进行这些调整的时候,如果动力一直处于不切断的状态,很难让轴和齿轮间实现转速同步。

  踩下离合,同步器只需要克服一根中间轴一根输入轴和上面的齿轮的转动惯量就行了,如果没有离合,那就还要和发动机掰手腕,就同步环那小体格和摩擦力,想要硬gang发动机那是不可能的。

  我们前面介绍了换挡时机构是如何动作的、动力是怎么流动的。下面我们看一看今天手动车型一杆三蹬的配置是如何演化的。

  在内燃机汽车的早期,并没有一个很统一的驾驶界面,奔驰牌狗骑兔子和后来的Ford Model T的操作方式就完全不一样。比如Ford Model T,开起来大致是这样的:首先松开右手边的杆子,放手刹,然后踩下最左侧踏板,以低速挡行驶,要挂上高速挡,需要将右手边的杆子进一步向下放,然后慢慢松开最左侧踏板。

  今天我们所熟悉的驾驶界面,最早出现于1916年Cadillac Type 53上,将换挡杆和手刹放在前排中间地台上,三个踏板从左至右依次为离合器、刹车和油门,同时这也是世界上第一个拧钥匙起动的汽车。这一设计后来又被更廉价、亲民的Austin 7发扬光大,Austin又将该车设计授权给德国的BMW和日本的Datsun,这一设计很快便传遍全球,成为了事实上的行业标准。

  今天,手动变速箱左脚踩离合右脚踩刹车油门一手方向盘一手换挡杆已经成为了行业标准。

  从早期的只有两个前进挡(低速、高速),到后来3挡、4挡,到今天主流的5挡、不那么主流的6挡,乃至Porsche和Corvette用过的7挡,到了商用车上更多的档位,换挡方式也有所不同。所以,一般的手动车型都会把换挡图贴在挡头上。虽然总有人不看一眼就开车,比如当年开我车挂着6挡试图倒车的那位。。

  至于公交司机,那真不是因为档位如同重载商用车那么多,而是因为换挡手感实在太模糊在那儿找找到底是几档而已。

  大学学过机械设计而且还没还回去的可以不用看了,没学过或者学过但是还回去的可以看一下:

  从上面这个gif就可以看到,斜齿轮有这么一个特点:刚开始从一点(图中是最上边的那一点)齿开始接触,然后接触线慢慢变长,然后转到另外一边向下消退到不啮合。

  所以,就传动而言,斜齿轮更加平顺。而且由于斜齿轮啮合的区域比同样厚度的直齿轮更长,承载力也比同样大小的直齿轮更好。

  但是斜齿轮并非没有问题。第一是它会产生轴向力——然而这对于常啮合变速箱来说并不是个问题。

  我之前在知乎上看到过一个问题问为什么倒挡用直齿,很多人都说倒挡没有同步器所以用直齿——这个是因果错误了。

  我们先回顾一下上面,我提到过一种比较古老的变速箱叫做“Sliding Mesh Transmission”或者又叫“Crash Box”,滑动齿轮变速箱,基本都是直齿设计。原因很好理解:要从轴向上把两个齿轮推到互相啮合的位置上,斜齿轮这种设计不怎么好用。

  而倒挡,不少手动变速箱的倒挡依然保留着Sliding Mesh的设计,由于上面那张图并没有显示倒挡的动作,我又找了一张5MT的工作原理gif:

  注意看途中橙色的齿轮,就是倒挡中间齿轮,又叫惰轮,惰轮在前进挡和空挡的时候,不和红色中间轴齿轮、蓝色输出轴齿轮互相啮合,在挂入倒挡的时候,才向上滑动,与两个齿轮同时啮合,由于多出了一个齿轮,所以会让输出轴旋转反向,实现倒车。

  既然在这个齿轮组上使用了Sliding Mesh的设计,那自然,涉及到的齿轮都是直齿,才能从旁边滑进来使齿轮组啮合。

  同样,由于采用了Sliding Mesh的设计,自然也就没办法在这里安置同步器,所以并不是“因为挂倒挡的时候车子完全静止所以不用同步器同步转速所以可以用直齿”,这是个逻辑错误,而是采用Sliding Mesh倒挡结构的手动变速箱只能使用直齿且无法布置同步器,这种设计也要求驾驶者必须要将车子停稳才能挂倒挡,否则会打齿(真·打齿),根源在于倒挡的滑动齿轮设计而不是停稳再倒车。

  当然,这也有一个问题——车子停稳了,蓝色输出轴自然也就是静止状态,然后踩下离合,这时候,红色的中间轴和绿色的输入轴依然在惯性作用下旋转,怎么才能让惰轮滑进来的时候不打齿呢?多数车型的做法是在挂入倒挡之前把中间轴刹停。所以在一些隔音不怎么好的车上,挂倒挡之前会听到变速箱“咯噔”一下,那就是中间轴被别停的声音。

  当然,采用常啮合设计+同步器的倒挡也是有的。这种设计的成本当然就更高一些。

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