汽车构造-机械变速器和分动器

汽车变速器是一套用于来协调发动机的转速和车轮的实际行驶速度的变速装置，用于发挥发动机的最佳性能。变速器可以在汽车行驶过程中，在发动机和车轮之间产生不同的变速比，通过换档可以使发动机工作在其最佳的动力性能状态下。变速器的发展趋势是越来越复杂，自动化程度也越来越高，而操纵却变得越来越简单，自动变速器在汽车中得到了广泛的应用。

变速器的作用是通过改变传动比（换档），扩大发动机对驱动轮的转矩和转速的变化范围，以适应经常变化的行驶工况的需要，使发动机工作在高效区。实现倒车，利用空档中断动力传递。

分动器的主要作用是将变速器输出的动力分配到各驱动桥，并且进一步增大转矩。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。

只有变速器的汽车是普通车，有变速器和分动器的车是可全轮驱动的汽车，可在野外路况不好的情况下行驶。

图3-13 机械式离合器操纵系统

图3-14 液压式离合器操纵系统

3.1.4.1 变速器的功用与分类

1.变速器的功用

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。

图3-15 离合器液压操作系统及操作主缸和工作缸示意图

1—排液孔 2—主缸缸体 3—工作腔 4—补偿孔 5—主皮碗 6—供液孔 7—供液腔 8—活塞 9—副皮碗 10—推杆 11—单向阀

2）实现倒车行驶，用来满足汽车倒退行驶的需要。

3）中断动力传递，在发动机起动、怠速运转、汽车换档或需要停止动力输出时，中断向驱动轮的动力传递。

2.变速器的类型

1）有级式变速器（强制操纵式）：驾驶人直接操纵变速杆换档。应用最广泛，有若干个固定的传动比。可分为轴线固定式、轴线旋转式（行星齿轮）。变速器的档位指前进档的数目。

2）无级式变速器（自动操纵式）：换档与传动比的选择是自动进行的。传动比在一定的范围内可以连续变化。可分为电力式、液力式（动液式）。

图3-16 离合器真空助力液压操作机构

3）综合式变速器（半自动操纵式）：固定式指几个常用的档位自动，其余由驾驶人操纵；预选式指先选取档位，换档过程自动。由液力变矩器和齿轮式有级变速器组成的液力机械变速器，其传动比可在几个间断的档位内连续变化。

3.目前在汽车中应用最广泛的变速器

1）手动变速器（MT）。手动变速器（Manual Transmission），又称机械式变速器。简称MT，也称手动档，即用手拨动变速杆才能改变变速器内的齿轮啮合位置，改变传动比，从而达到变速的目的。轿车手动变速器通常为4～6档有级式齿轮传动变速器，并且通常带同步器，换档方便，噪声小。手动变速在操纵时必须踩下离合器，方可拨得动变速杆。

2）自动变速器（AT）。自动变速器，利用行星齿轮机构进行变速，它能根据加速（油门）踏板行程运动的程度和车速变化，自动地进行变速。而驾驶人只需操纵加速踏板控制车速即可。

以下将讲述这两类变速器：手动和自动变速器操作选择位置图如图3-17所示。

图3-17 手动和自动变速器操作选择位置图

手动/自动变速器此型车在其档位上设有“+”“-”选择档位。在D位时，可自由变换降档（-）或加档（+），如同手动档一样。驾驶人可以在驶入弯道前像手动档般的强迫降档减速，可以低中档加速驶出弯道。现在的自动档车的转向盘上又增加了“+”“-”换档按钮，驾驶人就能手不离开转向盘加减。

手动和自动变速器操作选择位置图如图3-17所示，手动变速器的档位需由驾驶人根据汽车行驶条件来选择控制，自动变速器对于汽车驾驶人来说只需选择状况即可，驾驭非常方便。其状态是：P位相当于驻车档，N位就是空档（和手动档的空档一个意思，用于短暂停车时使用），D位自动状态下前进（在这个档位下变速器会在1～5档根据汽车速度和加速（油门）踏板行程情况自动切换）、R位倒车，+、-是手自一体独有的，就是增减档位的意思。自动状态行驶的时候可以变换成手动。当行驶状态选定后，汽车仪表板会显示现在处于何种状态，在行车时手动档能变为空档。

3位同样是前进档，这个档位下变速器在1～3档自动切换，不会升入4、5两档。可在交通不太通畅的时候，作为限制档使用，可以避免3档和4档间的跳档情况。

2位表示2档，此档时，变速器就在2档上，用于湿滑路面起步，或者慢速前进时作为限制档使用，可避免1档和2档以及2档和3档间的跳档。

1位就是1档，此档时，变速器就在1档。

其他自动档车辆可能出现的档位还有S位、L位（例如某些高档车）。S位表示运动模式（sport），在这个档位下变速器可以自由换档，但是换档时机会延迟，使发动机在高转速上保持较长时间，使车辆动力加大。L位表示低速档。

自动变速器还是有档位的，只是在D位状态下靠其内部设置的机液电系统自动转换（简单来说）。

3.1.4.2 手动变速器（MT）（机械式齿轮变速器）的构成

手动变速器（MT）的构成：轿车两轴式变速差速一体传动变速器如图3-18所示。

1）变速器的变速传动机构（确保汽车通常工况下的常用速比档位）。

2）同步器（确保汽车换档时的平顺性）。

3）变速器的操纵（便于档位的选择和稳定）。

图3-18 轿车两轴式变速差速一体传动变速器

3.1.4.3 机械式齿轮两轴式变速器的变速传动机构

1）应用：发动机前置前轮驱动或发动机后置后轮驱动的汽车。

2）特点：输入轴与输出轴平行，无中间轴。

3）组成：输入轴、输出轴、倒档轴、轴承、变速齿轮等。

两轴式变速器变速传动机构主要由第一轴（即动力输入轴）、第二轴（即动力输出轴）、倒档轴、各档齿轮及变速器壳体所构成。两轴是指汽车前进时，传递动力的轴只有第一轴和第二轴。大部分轿车都采用两轴式变速器。二轴式变速器传动机构实物如图3-19所示。

图3-19 二轴式变速器传动机构实物

4）档位运动传递：轿车两轴式变速器档位传递链如图3-20所示，空档状况图中档位换档同步器接合套居中输入轴（一轴）转动时，档位齿轮不转，动力没法传递给输出轴（二轴），只有当档位换档同步器接合套移动到确定档位位置时档位齿轮才会与其配合安装的轴一道转动，动力得以传递，档位齿轮与传动轴和控制其的同步器的配合已从结构上做好。空档状况是：二轴式传动机构中的档位同步器都不动作（同步器接合套居中，倒档滑移齿轮也不进档），有动力输入时，输入轴（一轴）转动，但输入轴上的档位主动齿轮不转动，输出轴（二轴）上档位从动齿轮即便是转动，但与其相配的输出轴（二轴）却不能转动，动力无法输出。1档：如图3-20轿车两轴式变速器档位传递链图中的1档状态图所示，输出轴（二轴）上1、2档同步器接合套右移到位，1档开始起作用，动力经输入轴（一轴）上1档齿轮传递给输出轴（二轴）上的配对的1档齿轮带动输出轴（二轴）一起转动，动力得以输出。进入2档时，1、2档同步器左移（后移），1档脱开不再起作用，2档配对齿轮开始起作用传递动力，见运动箭头传递路径。其他档位运动传递路径和控制方法与1档类似。图3-20轿车两轴式变速器档位传递链图中各档位状态图见表3-1二轴式变速器各档位动力传递路径。

表3-1 二轴式变速器各档位动力传递路径

（续）

5）传动比：变速器的速度变化主要是由自身传动链中不同齿数配对齿轮的传动比的变化来实现的。配对齿轮的传动比（用i来表示）等于主动齿轮与从动齿轮转速的正比、齿数的反比。

当小齿轮为主动齿轮，带动大的从动齿轮转动时，则从动齿轮的转速就降低，即称为减速传动（i＞1）；i₁₂=n₁/n₂=z₂/z₁；式中z₁、n₁为主动齿轮的参数；z₂、n₂为从动齿轮的参数。

当以大齿轮为主动齿轮，带动小的从动齿轮转动时，则从动齿轮的转速就升高了，即称为加速传动（i＜1）；这就是齿轮变速的基本原理。即当一对齿数不同的齿轮啮合传动时，若小齿轮为主动齿轮，带动大齿轮转动时，转速就降低，反之转速增加。组合齿轮传动中，其传动比为被动齿轮齿数的连乘积与主动齿轮齿数的连乘积之比。而倒档的实现是在输入齿轮与输出齿轮之间增加了一个中间齿轮，从而改变了输出齿轮的方向，而其输出速比依然只与主动齿轮的齿数和输出齿轮的齿数有关，与中间齿轮的齿数无关。变速器传动机构配对齿轮传动示意图如图3-21所示。

6）技术概况：五速变速器为输入轴提供五种不同的齿比，以便在输出轴产生不同的转速值。以下是一些典型的齿比：各档配对变速齿轮如图3-22所示，各档对应速比见表3-2。

表3-2 五速变速器的档位速比及动力输出概况

3.1.4.4 机械式齿轮三轴式变速器

机械式齿轮三轴式变速器通常用于前置后驱的汽车，这类变速器的传动机构主要由输入轴（第一轴）、中间轴和输出轴（第二轴）三轴所组成。一轴与中间轴通过常啮合齿轮组成联动传动链，除直接档外（直接档同步器动作，动力不经过中间轴直接由一轴传给二轴）中间轴在所有的档位变化过程中都要起到动力的过渡传递作用。三轴式变速器传动机构实物如图3-23所示。

图3-20 轿车两轴式变速器档位传递链图

图3-21 变速器传动机构配对齿轮传动示意图

图3-22 两轴变速器齿轮传动机构示意简图

图3-23 三轴式变速器传动机构实物图

三轴式变速器的传动方式与二轴式变速器基本相似，只是多了中间轴和常啮合配对齿轮，其工作原理和解析方法与前述二轴式变速器类似，此处不再赘述。可自行比较分析。其构成具有如下特点：

1）传动链：输入轴动力→输入轴齿轮/中间轴齿轮→中间轴齿轮/输出轴齿轮→输出轴动力。并通过改变不同中间轴齿轮/输出轴齿轮啮合，实现不同的档位。

2）支承方式：采用圆柱滚子轴承、滚针轴承、向心球轴承作为支承。滚针轴承可承受较大的径向载荷，刚度大；径向尺寸小，可以不安装内圈和外圈，因此便于安装在狭小空间内。

3）操纵方式：通过各档拨叉，推动同步器（或者接合套）实现换档操作。

4）润滑方式与密封：变速器壳体内注入齿轮油，采用飞溅方式润滑齿轮副、轴、轴承等，同时也通过在齿轮上钻径向孔或者在齿轮轮毂上开径向油槽的方式来润滑所在部位的轴承；变速器的润滑油应避免流入到前端的离合器和后端的万向节。

5）直接档的定义：将输入轴和输出轴直接连接输出动力的档位，该档效率最高。

机械式变速器换档要做到平稳和少冲击，除了离合器的配合外，换档同步器也发挥了重要作用。

3.1.4.5 同步器

要使变速器换档平顺无冲击，变速器中准备进入啮合的一对齿轮圆周速度必须在相等或接近相等的条件下，才能实现平顺无冲击的啮合，即所谓“同步”。过去两脚离合操作，虽可达到同步目的，但操作麻烦且增加驾驶人的劳动强度。而同步器则在结构上解决了变速器换档齿轮同步问题。

1.同步器的分类

同步器可分为常压同步器、惯性式同步器（锁环式、锁销式）和自行增力式同步器三类，其中惯性式同步器（锁环式、锁销式）应用最广泛，以下将主要介绍惯性式同步器。

2.惯性式同步器的结构及其工作原理

惯性式同步器是利用摩擦原理实现同步的，惯性式同步器从结构上保证待啮合的接合套与接合齿轮的花键齿在达到同步之前不可能接触，惯性式同步器能使接合套与待啮合齿圈迅速同步，缩短换档时间，同时防止啮合时齿间冲击。惯性式同步器在现代汽车上得到了广泛使用，其结构通常由同步装置、锁止装置和结合装置构成，惯性式同步器通常有锁环式惯性同步器和锁销式惯性同步器两种形式。

（1）锁环式惯性同步器

1）组成：同步环、接合套、花键毂、滑块、定位销与弹簧等，如图3-24所示。

①花键毂：花键毂轴向固定；并与齿圈、锁环具有相同花键齿。(www.xing528.com)

②接合套：用来联动花键毂、同步环、啮合齿圈，并与齿圈、锁环具有相同花键齿。

③同步环（锁环）：锁环的倒角与接合套倒角相同，锁环具有内锥面，其上有螺旋槽，以便两锥面接触后，破坏油膜，增加锥面间的摩擦。

④滑块：装于花键毂轴向槽内；带定位销以便空档定位；两端伸入两锁环的三缺口。

2）锁环式同步器主件的安装如图3-24所示。

①花键毂：轴向固定与接合套啮合。

②锁环（同步环）：与接合套倒角相同，具有内锥面，上有螺旋槽。

③滑块：装于花键毂，有三轴向槽，内带定位销，两端伸入锁环的三缺口。

④接合套：联动花键毂、同步环、啮合齿圈。

3）工作原理。同步器的作用是在与犬齿接触前，使轴环与齿轮发生有摩擦的接触。这样，在犬齿接合前，就可以使轴环和齿轮速度达到同步。在同步环上作用着两个力矩：拨环力矩M₂和惯性力矩M₁，只有当M₂＞M₁才能实现接合。M₁正比于F₁；M₂正比于F₂。二者均是F_n的分力，相对关系取决于锁止角。通过设置合理的锁止角可以保证在未达到同步前，无论驾驶人施加多大的力，都保证M₂＜M₁，而使接合套与同步环不能接合。因为这个锁止作用是由惯性力矩造成的，当准备进入啮合的一对齿轮圆周速度基本相等时，惯性力矩

图3-24 锁环式惯性同步器构成结构件及安装图

消失，解除锁止，完成进档。锁环式惯性同步器构件组合如图3-25所示。锁环式惯性同步器的工作原理如图3-26所示。摩擦工作面接触产生摩擦力矩→锁环转动一角度→锁止，防止接合套前移→摩擦力矩增长至同步→惯性力矩消失→锁止消失→接合套进入啮合完成换档。

图3-25 锁环式惯性同步器构件组合示意及实物图

图3-26 锁环式惯性同步器的工作原理

1—滑块 2—接合齿圈 3—接合套 4—锁环

（2）锁销式同步器 惯性锁销式同步器结构如图3-27所示，该同步器主要由两个摩擦锥环、三个均布的锁销和定位销、接合套、摩擦锥盘及花键毂等组成。其工作原理与锁环式惯性同步器的工作过程类似，如图3-27所示。

3.1.4.6 变速器操纵机构

1）功用：保证驾驶人能准确可靠地使变速器换入某个档位。

2）要求：①自锁功能：防止自动换档、脱档；②互锁功能：保证变速器不会同时换入两个档位；③倒档锁：防止误换倒档。

3）分类：直接操纵式和远距离操纵式。变速器操纵机构的构成如图3-28所示。

4）拨叉与拨叉轴的结构及安装特点：

①拨叉轴两端均支承于变速器盖上相应的孔中，可以轴向滑动。

②所有的拨叉和拨块都以弹性销固定于相应的拨叉轴上。3、4档拨叉的上端有拨块。拨叉和拨块的顶部有凹槽。

③变速器处于空档时，各凹槽在横向平面内对齐。叉形拨杆下端的球头即伸入这些凹槽中。选档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绕换档轴的轴线转动，从而使叉形拨杆下端球头对准所选档位相应的拨块凹槽，然后使变速杆纵向摆动，带动拨叉轴拨叉向前或向后移动，即可实现挂档。变速器操纵机构总体构成组合简图如图3-29所示。

图3-27 锁销式惯性同步器的构成及工作原理简图

图3-28 变速器操纵机构的构成示意图

3.1.4.7 变速器操纵机构的构成及要求

1.换档变速机构的构成

换档变速机构主要由换档拨叉机构和定位锁止机构两大机构组成。

图3-29 变速器操纵机构总体构成组合简图

（1）换档拨叉机构 主要由变速杆、拨块、拨叉、拨叉轴以及安全装置等组成。变速器处于空档时，各拨块凹槽在横向平面内对齐，变速杆可绕其中部球形支点横向摆动。

（2）定位锁止机构

1）自锁装置：由自锁钢球和自锁弹簧组成。

2）互锁装置：主要由互锁钢球和互锁销组成。

3）倒档锁：由倒档锁销和倒档锁弹簧组成。

2.对换档工作的要求

1）能防止自动挂档和自动脱档，并保证齿轮全齿长啮合，所以应有自锁装置。

2）能防止同时挂入两个档，应有互锁装置。

3）能防止误挂倒档，应有倒档锁。

3.锁止装置工作过程

（1）自锁装置 变速器自锁装置构成简图如图3-30所示。

图3-30 变速器自锁装置构成简图

1）多数变速器的自锁装置由自锁钢球和自锁弹簧组成。

2）每根拨叉轴的上表面沿轴向分布有三个凹槽，当任何一根拨叉轴连同拨叉轴向移动到空档或某一工作档位的位置时，必有一个凹槽正好对准自锁钢球。于是自锁钢球在自锁弹簧压力作用下嵌入该凹槽内，拨叉轴轴向位置被固定，从而拨叉连同滑动齿轮（或接合套）也被固定在空档或某一工作档位上，不能自行脱出。

3）换档时，驾驶人对拨叉轴施加一定的轴向力，克服自锁弹簧的压力将钢球由拨叉轴的凹槽中挤出推回孔中，拨叉轴和拨叉轴向移动。

（2）互锁装置 变速器互锁装置构成简图如图3-31所示。互锁装置的功用是阻止两个拨叉轴同时移动，防止同时挂入两个档位。如中间换档拨叉轴移动挂档时，另外两个拨叉轴被钢球或锁销锁住。避免因同时啮合的两档齿轮其传动比不同而互相卡住，造成运动干涉甚至造成零件损坏，起到了互锁作用。其构成及组合工作特点：

图3-31 变速器互锁装置构成简图

1）主要由互锁钢球及互锁销组成。互锁销装在中间拨叉轴的孔中，其长度相当于拨叉轴直径减去互锁钢球的半径，互锁钢球装于变速器盖的横向孔中。

2）在空档位置时，左右拨叉轴在对着钢球处有深度相当于钢球半径的凹槽，中间拨叉轴则左右均开有凹槽，凹槽中开有装锁销的孔。

3）这种互锁装置可以保证变速器只有在空档位置时，驾驶人才可以移动任一个拨叉轴挂档。若某一拨叉轴被移动而挂档时，另两个拨叉轴便被互锁装置固定在空档位置而不可能再轴向移动。

（3）倒档锁 变速器倒档锁构成简图如图3-32所示。

图3-32 变速器倒档锁构成简图

1）倒档锁的作用是驾驶人挂倒档时，必须对变速杆施加较大的力，才可挂上倒档，起提醒作用，以防误挂倒档。变速器上多采用弹簧锁销式倒档锁。

2）倒档锁一般由倒档锁销和倒档锁弹簧组成。倒档锁销的杆部装有倒档锁弹簧，其右端的螺母可调整弹簧的预紧力和倒档锁销的长度。

3）驾驶人挂倒档时，必须用较大的力使变速杆的下端压缩倒档弹簧，将倒档锁销推向

右方后，才能使变速杆下端进入倒档拨块的凹槽内，以拨动倒档拨叉轴而推入倒档。

3.1.4.8 分动器在多轴驱动汽车上采用分动器，将变速器的输出动力分配到各驱动桥。因此分动器一

般具有一个输入轴、多个输出轴。全轮驱动有分动器的传动系统简图如图3-33所示。

图3-33 全轮驱动有分动器的传动系统简图

1.分动器的主要功能

分动器主要用于全轮驱动的汽车和越野汽车上，其作用是将变速器输出的动力分配到各驱动桥。因此分动器一般具有一个输入轴、多个输出轴。目前，多数车装用两档分动器，分动器兼起副变速器的作用。

2.分动器的基本结构

（1）分动器总体构成 分动器的基本结构主要是由一个齿轮传动机构和操纵机构组成。输入轴直接或通过万向传动装置与变速器第二轴相连，而输出轴则有若干。其数目与所设计的驱动桥相同，连接方式也同样用万向传动装置。

图3-34 分动器的齿轮传动机构基本构成

（2）齿轮传动机构 有三输出轴式分动器和两输出轴式分动器两种，分动器的齿轮传动机构基本构成如图3-34所示为三输出轴式。

1）该分动器可将动力分别传给前桥、中桥和后桥。

2）当换档接合套向右移动与齿轮前端接合齿圈相套合时，便挂上了低速档。此时变速器第二轴的动力经万向传动装置传给输入轴，经齿轮和换档接合套传给中间轴，中间轴后端的齿轮再驱动齿轮，因而使通往后驱动桥的输出轴及通往中驱动桥的输出轴被驱动，此时，由于前桥接合套也先被向后移动，通往中驱动桥的输出轴便通过前桥接合套使通往前驱动桥的输出轴也被驱动。

3）换档接合套向左移动使之与齿轮的接合齿圈相套合时，分动器挂上高速档。大多数分动器由于要起到降速增矩的作用而比变速器的负荷大，所以分动器中的常啮合齿轮均为斜齿轮，轴承也采用圆锥滚子轴承支承。

3.分动器操纵机构

分动器（副变速器）的预选气动换档，主要包括机械–气动和电控–气动两种。对其工作要求：①先接前桥，后挂低速档；②先退出低速档，再摘下前桥。分动器操纵机构示意图及分动器实物图如图3-35所示。

图3-35 分动器操纵机构示意及分动器实物图

1）组成：操纵杆、传动杆、摇臂及轴等。

2）操纵分动器时：若换入低速挡，输出转矩较大。为避免中、后桥超载，前桥需参加驱动，分担一部分载荷。为此，分动器的操纵机构应保证：接上前桥前，不得挂上低速档；低速档退出前不得摘下前桥。

3）在好路上行驶：应使用高速档且不应接前桥。当汽车在较差的路面上行驶时，应接上前桥并用低速档，以使汽车具有足够的驱动力，克服增加了的行驶阻力。