德国版汽车工程手册：手动换档变速器系统

1.功能和结构

手动换档变速器主要部分为：

1）脚操纵干式起步离合器和分离离合器。

2）同步有级齿轮变速器，4～6个档。

3）变速器操纵，从变速杆到变速器传递运动和换档力。

各个档可通过操纵换档。在换档时，操纵离合器将发动机到变速器的功率流切断，从之前的档拔出和利用同步器使转速与要插入的换档元件同步匹配后就可操纵变速杆挂入新的档。离合器接合，换档过程完成。

为形成多档传动比，不同齿数的齿轮副安装在中间轴（副轴）上，变速器通常有一根中间轴，有时也有2根或3根中间轴。所有的齿轮都是常啮合的。倒档是个例外，倒档齿轮也为滑动齿轮。

手动换档变速器主要有同轴输入、输出功率和轴偏移输入、输出功率两种基本结构型式（图5.4-17）。同轴变速器型式可以有无齿轮啮合的直接档。它特别适用于标准驱动的汽车上。轴偏移变速器没有直接档。它用于前驱动、后驱动和换档变速器和车桥变速器整体结构的汽车上。

手动变速器的特点是能高效率地传递功率。这是由于齿轮啮合滚动、不同转速换档元件间的摩擦、齿轮系的随动啮合、轴和轴承动态密封处摩擦以及由于速器内润滑油扰动和飞溅引起的损失很小。直接传递功率的变速器，在每个档的传动效率可达99%。

图5.4-17 手动换档变速器结构型式

2.齿轮啮合

在汽车用的变速器上，无例外地采用渐开线齿啮合。它制造简单，对轴距的变化不敏感。

目前乘用车领域一般采用斜齿啮合，倒档齿轮例外。

齿轮啮合按总载荷设计，并具有抗齿损伤、齿面疲劳和咬伤的安全度。

在乘用车上，防止齿轮啮合噪声尤为重要，因为对汽车的声学要求不断提高。为此，除采用斜齿啮合外，还采取一些重要措施：精密加工、从大齿面重叠面到高齿啮合、有效的齿轮啮合、有效的齿轮啮合修正（斜齿角、齿形高度和纵向凸度）。

基于有限元法的现代设计方法目前可以在变速器设计阶段，在载荷作用下为齿轮啮合修正考虑轴的弯曲和变速器壳体的变形，以改善承载能力和减少噪声辐射。

3.同步系统

离合器中间分离和节气门部分开启是乘用车上早先换档时常用的方法，以便在换档时两接合件的转速匹配。目前，通过转速变换器就可完成这个任务。转速变换器面对可操纵的齿轮离合器。

闭锁同步装置已经实现，它作为摩擦离合器自动适应转速差。如果两接合件达到相同的转速，则允许操纵变速杆挂上档，从而保证舒适、平稳换档。

有各种闭锁同步型式。用得最广的是Borg Warner系统，而且是单、双和三圆锥体结构型式（图5.4-18）。多圆锥体同步系统优先用在低的档，因为这些档的热负荷高于机械负荷。在挂入各个档时多圆锥体同步系统可减轻换档力和可以适应各种换档力。

作为同步系统中的摩擦副，采用与钢配对的黄铜、金属陶瓷和钼。

在变速器上使用多圆锥体同步系统后，下一步，在继续开发同步系统时当然要特别注意降低成本；同步系统很多相同零件的结构模块化；使用板材成型技术以及金属陶瓷技术的先进制造方法。

4.变速器的其他部件

在现代手动换档变速器中，除降低制造成本、提高可靠性外，轻结构、低噪声为大家所关注。

图5.4-18 同步系统

①—同步环 ②—带压簧的压力销 ③—移动 ④—离合器体 ⑤—同步器体(www.xing528.com)

优先采用的变速器壳体材料是铝和不断增长的镁。为达到尽可能高的刚度和减小噪声，需要利用有限元法优化变速器壳体的形状、尺寸、壁厚和加强肋。

为进一步减轻重量采用空心轴。

为支撑轴和齿轮，几乎都使用滚动轴承：惰轮用滚针轴承，变速器轴用球轴承、圆柱滚子轴承或圆锥滚子轴承。

利用弹性塑料径向密封环对轴动态密封，部分地利用螺旋槽，以提高密封安全性。变速器壳体的分开面和变速器盖的静态密封使用硅树脂固体面密封以及液体密封或时效硬化的厌氧塑料。目前手动换档变速器使用长寿命的润滑油，主要使用自动变速器油（ATF）。具有优良粘—温性能的润滑油可避免低温时变速器换档的困难。有效的添加剂可保证在各种工作条件下同步系统有尽可能均匀的摩擦性能。润滑油还要保证齿轮啮合的承压能力和抗疲劳腐蚀能力。

根据变速器大小和结构型式，加入变速器内的润滑油量约为1.5～2.0L。变速器采用喷射润滑和有专门的带导油板的油路。在特别高载荷（如越野汽车）的变速器中还有一个润滑油泵，以保证润滑油输送。

5.变速器换档装置

变速器换档装置传递驾驶人的换档动作，并由此传递至变速器中换档的相关元件上。换档装置可分外部换档装置和内部换档装置。

外部换档装置从变速杆开始直至变速器。作为杆系换档装置的外部换档装置可以是固定连接，或者是作为拉索换档装置的外部换档装置的柔性连接。拉索换档装置的优点是空间自由、能解耦发动机—变速器总成和车内空间之间的振动、重量轻、易安装。在前驱动、发动机横置汽车内特别紧张的空间情况下易安装特别重要^[12]。

内部换档装置通过换档部件的变速杆、拨叉或换档壁直至移动套筒传递换档的导向运动。

图5.4-19为5档换档变速器上的拉索型外部换档装置。

6.变速器型式实例

梅赛德斯奔驰5档变速器SG 150（图5.4-20），是为前驱动、发动机横置紧凑型汽车设计的、输入输出轴偏移的双轴结构变速器。最大驱动转矩180N·m^[13]，传动比范围为4.7，第1、2档带有双圆锥体同步系统，其余的档（包括倒档）为单圆锥体同步系统。

为减轻重量，变速器轴为中空。变速器重32kg，包括1.8L润滑油。

图5.4-19 拉索型外部换档装置

图5.4-20 梅赛德斯奔驰5档换档变速器

6档ZF变速器S6-37（图5.4-21），是为标准驱动的汽车（也为全轮驱动）设计的[14]。最大驱动转矩370N·m。根据驱动转矩需要，有5个档，传动比范围为6.19，带直接驱动。变速器重41kg，包括1.6L长寿命的润滑油。中间轴（副轴）为空心结构，以减轻重量。

S6-37变速器为低噪声的高齿啮合和可选用自动换档。

7.自动换档变速器

自动换档变速器^[15]已在一些小功率级的乘用车和运转型汽车上成批使用。它的基准型是手动换档同步变速器，它与离合器操纵和变速器操纵用的电液或机电执行器组合在一起（图5.4-22）。还有专门为自动化设计的最多达7个档的变速器系统，它不是从手动换档变速器延伸出来的。出于舒适原因和防超速的安全性考虑，在换档过程中，发动机由变速器电控管理。在换档过程结束后，计算和调节匹配的接合转速。

自动换档变速器将手动换档变速器的高效率和经济的换档程序结合在一起。缺点是在换档时，特别是在低档、高负荷的加速过程明显地感到牵引力中断。

图5.4-21 6档换档变速器S6-37

图5.4-22 自动换档变速器系统结构