技術| 不會開手動擋的車,還不趕緊惡補手動變速箱的知識?

作者：艾斯帝夫

Gearbox，也就是我們常說的變速箱，它是汽車發動機和車輪間動力傳遞的橋梁，用學術的方式解釋，就是力矩轉換機構。

在一般的家用汽車發動機中，曲軸的日常工作轉速一般在1500-4000rpm之間，極端情況可能會更高。如果直接將曲軸的旋轉力矩傳遞給車輪，難免會發生輪速過高、扭矩過小的衝突，也使得發動機的負擔增大，甚至難以克服摩擦力驅動汽車。

騎過自行車的人應該知道，無變速器的自行車騎行起來比較費勁，而且速度通常很慢，遇到上坡尤其費勁。換作一臺可前後變速的山地自行車就輕鬆多了，其實這個道理跟汽車變速箱一樣。

變速器裡的齒輪組大部分都是更加易於

嚙合的斜齒輪（圖為福特雙離合器變速器齒輪組）

汽車的變速箱是一種聰明的機械閉鎖機構，它可以按照不同的齒輪比例來降低輸出轉速，增大扭轉力矩，而這個力矩又通過齒輪與齒輪的傳遞讓汽車跑得更快，同時讓發動機更省力、省油，這就是變速箱存在的意義。

齒輪的秘密

比較有趣的是，很多人學車的時候學的是手動擋，但真正買車後卻不會開手動擋的車了......

其實，駕駛手動擋的車並不難，就像手動變速箱的構成那麼簡單，手動箱子裡無非就是裝著一堆齒輪和一組撥叉。但是齒輪看起來小巧而簡單，實際上也有大學問。

為了讓切換擋位時更平順、安靜，所以目前汽車手動變速箱都採用斜齒輪。斜齒輪還具有一個優點，就是利於改變嚙合齒輪的運動方向，當兩個同樣結構的斜齒輪嚙合時，便可以很輕鬆的垂直咬合在一起。

縱置式手動變速箱，換擋杆位於變速器後端，

力矩損耗更小，換擋操作更直接

在變速箱中，各級齒輪間的齒比由齒輪的齒數決定。例如相互嚙合的兩個齒輪齒數分別為20個和10個，那麼前者輸入端轉一圈就會帶動後者輸出端轉兩圈，變速比即為2:1。實際上這也就達到了通常意義上所說的加擋的目的了——大齒輪帶動小齒輪，就是一組高速擋位。

同理，降擋時就是將力傳遞給齒數相對較多的齒輪，假設輸入端齒輪仍為20齒，而輸出端變為15齒，這麼一來，齒比則變為了1.33:1，力矩增大，爬上坡會更有勁。

手動變速箱的換擋撥叉機構

如果把幾組不同規格（齒數）的齒輪組合在一起，便可以構建一個變速機構來快速地升降擋了。這樣一來，假設一套齒輪機構輸入端齒輪為20齒，二級齒輪為40齒，輸出端齒輪為50齒，第一級變速比為1:2，第二級為4:5，最終的變速比為兩級變速比之積，即2:5。以此類推，再多增加幾組齒輪，再弄清楚它們的齒數前提下，便能很輕鬆算出速比，知道變速器的能力範圍了。

變速的基本原理

值得注意的是，在汽車的變速箱中不僅有常規的變速齒輪，幾乎所有車輛都還有一套差速齒輪（差速器），它把守著汽車動力傳遞到車輪的最後關口，一般位於前橋或者後橋的中部（牙包）位置，作用是產生終傳比。

結構方面，差速器齒輪由一個輸入端小齒輪和一個大齒圈構成。我們以一臺斯巴魯翼豹（Subaru Impreza GH）5速手動變速箱為例，假設它的終傳比為4.444:1，這也就是變速箱輸出軸到車輪驅動半軸的最終變速比。

Subaru Impreza

我們可以看到，假設當發動機轉速在3000rpm時，變速箱處於5擋，那麼變速箱輸出軸的轉速就為4065rpm，通過終傳比為4.444:1的差速器，最後傳到驅動半軸的轉速則為914rpm。如果知道車輪尺寸，利用上面的比例關係公式，甚至可以計算出這款車在發動機某一轉速下的最高車速。

翼豹配備的是5速手動變速箱

另外一個例子是，已知翼豹的車輪尺寸為205/55 R16規格，整個車輪的半徑r為258mm，那麼車輪的周長就為2r乘以圓周率3.14，即1620.24mm。目前，已知推算出的變速箱5擋時輸出轉速為4065rpm，那麼每分鐘行駛距離就用1620.24mm乘以4065rpm，即為6586275.6mm，換算成米即為6586.2756m，然後除以每小時60分鐘，最後得出4065rpm轉速下的車速為109.7km/h，約等於110km/h。

當然，以上只是我們的理論計算，實際上翼豹在110km/h的車速下，變速箱位於5擋，發動機轉速大大低於4000rpm。

來自三菱Lancer Evolution X的後輪差速

換擋平順性

我們還是以斯巴魯翼豹的5速手動變速箱為例。假設，當我們想要切換到4擋時，換擋杆推向第4擋，變速撥叉隨之會軸向後移，同時推動接合套後移，內花鍵與4擋斜齒輪前端的外花鍵嚙合，通過花鍵的接合，將接合套與輸出軸鎖止。同時當離合器接合時，發動機曲軸便驅動動力輸出軸轉動，變速器輸出軸上的其他斜齒輪空轉。

剛剛被鎖止的4擋斜齒輪即刻起便與發動機接合，同時輸出動力至半軸，接著是差速器，最後到達車輪。這是一個完整的動力傳輸路徑，也是一套換擋動作的範例。

為了掛上4擋，接合套會從3擋斜齒輪滑向4擋斜齒輪，那為什麼我們需要使用離合器呢？原因就在於，當我們推動換擋杆換擋時，變速器內的各個齒輪還在高速旋轉，如果生拉硬拽整個變速器就會發生打齒現象，損傷度極大；另外，使用離合器還可以避免摩擦噪音，實現主動降噪。

右側輪軸兩組齒輪中間的部件就是同步器

變速器的噪音實際上是由接合套花鍵與斜齒輪花鍵接合不當時產生的，這種情況通常發生在換擋時離合器接合過快時。所以過去沒有同步器的變速箱需要踩兩腳離合才能實現平順換擋。所謂兩腳離合，就是當第一次踩離合器時，變速撥叉和接合套退到空擋位置，此時還需要補加一腳空油，提高轉速；第二次踩離合器，將接合套滑動至與下一級斜齒輪嚙合，在保持轉速基本同步的情況下完成換擋。現在的汽車都加入了同步器，加、減擋都只需一腳離合即可。

倒擋的原理

倒擋實際上是變速器功能的延伸，為什麼兩輪摩託車沒有倒擋？一個原因是因為它小巧，可以人為搬動，另一個原因就是在小巧的變速器內加裝倒擋不合理，會佔用很大的空間。

手動變速箱示意圖，四個前進擋集中在輸出軸上，

倒擋則由單獨的撥叉控制

不過在汽車上，這個問題迎刃而解。倒擋其實就是上述變速器換擋原理的一種延伸，不同之處就是多了一個變向的齒輪而已。倒擋一般由三個上、中、下嚙合在一起的斜齒輪來實現，而非像前進擋中的兩個齒輪嚙合即可。同樣的，上齒輪安裝在變速器輸出軸上，下齒輪在中間軸上——動力輸出軸的末端，而在它們之間嚙合著一個用於變向的齒輪——一個單獨存在齒輪，只服務於倒擋，用來改變力矩的傳遞方向。

離合器的核心作用

變速箱是如何實現換擋的？

我想通過前面的講解，你或許已經大致了解了基本原理。變速箱的工作，就是從速比到各擋位的工作關係，接下來還有一個重要部件，它在汽車變速箱換擋時起重要作用——離合器。

離合器摩擦片

離合器中的另一個重要部件，雙質量飛輪

簡單說，離合器的作用就是使你能夠在汽車行駛時變換擋位——短暫的分離動力輸出軸與變速器輸出軸，避免因轉速不同步而打齒。比如在紅燈亮起時我們要停車，但又不想關閉發動機，這是發動機就是一直「轉動」，同時也就會帶動曲軸始終運轉，而曲軸又與變速器動力輸出軸相連，所以此時就需要一個能夠在發動機曲軸和變速器中間軸之間可以切斷動力的機構，離合器自然就充當了這個「調解員」的角色。

離合器總成

離合器由壓盤、飛輪和從動盤三個基本部分構成。其中飛輪與發動機曲軸相聯，而從動盤通過花鍵與變速器中間軸相聯。

OK，至此，關於手動變速箱的原理我們已經大致梳理了一遍。我們希望把複雜的機械原理變成淺顯的日常知識，讓大家更方便理解手動變速箱，同時也更好地駕駛手動擋車型。知其然，知其所以然，這才是生活的樂趣。望各位安全上路，享受手動擋的樂趣~~