郑建标

摘要：机械式变速器在汽车中的应用非常广泛，而设计的好坏与否直接决定了该设计是否会在未来的变化中赢得胜利，运作效率低的变速器无疑将被淘汰。变速器的设计无论在学术上还是市场应用上都是十分重要的。因此，进行机械式变速器的现代化设计方法研究是必不可少的。本文对机械式比变速器的原理、概况、以及现代化设计时应该考虑的因素做出了概括性的描述。

关键词：机械式变速器；变速器；齿轮；档位

一、机械式变速器的基本原理

汽车机械式变速器，又称手动式变速器。手动变速器是汽车底盘系统中的关键传动部件，综合汽车起步、加速、减速、上坡、下坡、倒车和道路天气状况，操作者通过操作变速杆让变速器工作，将发动机输入的动力和速度优化为实时需要的输出动力和转速传递给传动轴，实现汽车的变速、前进倒车转换和空挡停车，如下如图一所示。

在手动变速器中，飞轮是连接在发动机曲轴并绕着它旋转的。离合器摩擦片是在压盘和飞轮之间，在压板的压力下固定在飞轮的相反位置。当发动机运转时，离合器也开始运作，飞轮旋转离合器片，因此可以变速。当离合器踏板踩下时，抛出轴承被激活，从而导致压力板停止施加压力，这使得离合器停止从发动机机接收功率，使齿轮可以不破坏传输转移。

现代汽车手动变速器通常使用四到六个前进档和一个倒档，消费者的汽车手动变速箱有多达七齿轮的。重型卡车和其他重型设备通常有8到25个齿轮传动可以使发动机在功率频带内有效的停止运行齿轮和齿轮比变速器。

二、机械式变速器分类与结构

手动变速器由变速传动机构、变速器壳体、操纵机构组成。变速传动机构可按前进挡数或轴的形式不同分类。按照前进挡数可以分为三档、四档、五档、多档变速器；按照轴的形式可以分为固定轴式和旋转轴式[3]。主要分为两轴式手动变速器和中间轴式手动变速器。而自动变速器通常分为压力自动变速器，机械无极自动变速器，双离合器变速器，主要是根据原理进行分类。

两轴式手动变速器没有中间轴，这是和中间轴式手动变速器的最大区别。中间轴式的手动变速器的中间轴则是位于输入轴和输出轴中间的。通常情况下说的直接档就是指通过连接方式使得发动机动力直接通过一轴传给二轴，起到直接控制的作用。

三、机械式变速器传统设计

3.1齿轮设计

在手动式变速器中，齿轮的作用是不可或缺的。它是手动变速器的基本零件之一，因此如何进行齿轮的设计，如何设置齿轮的参数，以及如何调整齿轮之间的连接使得机械式变速器的性能达到最优，是一个十分值得研究的课题。机械式变速器使用的齿轮一般是直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮。这两种齿轮各有优缺点，根据不同的设计目的结合实际的车型进行选择。相对于直齿圆柱齿轮.斜齿圆柱齿轮虽然在加工制造上较为复杂且工作时有轴向力.但仍以其运转平稳、运作噪声低及寿命长的优点广泛应用于变速器上。

除了在齿轮的类别上的选择要谨慎考虑之外，齿轮设计的参数在齿轮的应用中也起到至关重要的作用。齿轮的结构分类一般有轮齿、齿槽、端面、法面、齿顶圆、齿根圆、基圆、分度圆。描述齿轮的主要参数有齿数，螺旋角，齿距，模数，压力角，分度圆直径，齿项高系数和顶隙系数。在汽车的机械式变速器设计当中，只要关心如下几个参数即可：齿轮的模数与压力角、齿轮宽度与螺旋角的设计、齿轮齿数与变位系数。这些参数除了在设计的时候要格外重视之外，在设计好的时候为了确保这些参数的正确性，应进行反复的验证与修正。因为其性能恰恰取决于这些参数设置正确与否。修正时应注意不要过度修正，使得齿轮性能不升反降。

3.1.1齿轮模数与压力角

模数是指相邻两轮齿同侧齿廓间的齿距p与圆周率π的比值（m=p/π），以毫米为单位。模数是模数制轮齿的一个最基本参数，直齿、斜齿和圆锥齿齿轮的模数皆可参考标准模数系列表（GB/T 1357-1987）。

其计算公式为 ：

在两齿轮节圆相切点P处，两齿廓曲线的公法线（即齿廓的受力方向）与两节圆的公切线（即P点处的瞬时运动方向）所夹的锐角称为压力角，也称啮合角。其计算公式为：

在机械式手动变速器中，高档齿轮压力角一般为16度、18度、20度，大型汽车齿轮为提高承载力，低档齿轮采用23.5度或26度。

3.1.2螺旋角

齿轮的螺旋角用β齿轮的轴宽，轴宽大于0，为左旋；轴宽小于0，为右旋。螺旋角越大，表示齿轮的倾斜程度越大。螺旋角这一参数通常用于描述斜齿轮。斜齿轮的优势在于承载能力较大。螺旋角对减少齿轮工作噪音，提高齿轮强度和啮合性能，增加齿轮的轴向力能产生直接影响。

3.2换挡机构设计方法分析

手动变速器换挡机结构目前来说可以主要有三种：同步器、啮合套和齿滑动轮。目前应用较多的结构是同步器。常见的五档便是采用的这种结构。换挡机构首先要面临的问题就是挡位数设置多少的问题。挡位数越多，就能够应对更多的情况，但是换挡机构的设计也就变的更加复杂，设计成本与生产成本都会随之上升。由于生活中汽车换挡的情况大致也就分为上坡，停车，变速等几种，过多的档位设计反而会增加不便。而挡位数设置过少则会使得汽车在面对不同情况需要换挡时，无法找到合适的档位，带来的后果更为严重和灾难性的。日常生活中，根据不同的情况，一般采用五档位。

五档位的计算时设计人员通过一档的传动比确定的，其设计公式如下：

传动比是指变速器一档的传动比和最高档传动比之间的比值。

四、结束结

在我国，驾照考试采用的都是机械式变速器，但是自动变速器在普通生活中更受青睐。除了对变速器相当了解的人，大部分人哪个换挡点换挡都是不清楚的，档位的设置很好的解决了这个问题。而自动挡更是省去了手动操纵变速杆才能改变档位的确定。实现了某种意义上的"傻瓜式"开车。虽然自动变速器有着手动变速器无法做到的有点，但是手动变速器的长期存在也表明了其自身有着不可替代的优点。

手动变速器的成本低廉，并且档位的设置有着无限的可能，还可以自己设置传动比，对于专业车手以及汽车有着自己性能要求的人群来说，手动变速器是一个非常合适的选择。

参考文献

[1]李靖.机械式变速器用同步器同步性能测试试验台设计与研究[D]. 武汉理工大学，2011-05-08.

[2]段明序.混合动力客车机械式自动变速器参数优化设计方法研究[D].吉林大学，2013-05-01.

[3]刘延伟.新型无动力中断机械式自动变速器的机理与控制研究[D].华南理工大学，2012-04-01.