汇总
【汽车科普】汽车构造与原理
更白话科普式的变速箱介绍：
【汽车科普】汽车变速箱与MT、AT、AMT、CVT、DCT
目录
1.引言
2.变速原理
2.1 自行车变速原理
2.2 汽车变速原理
2.3 齿轮原理
3.手动变速器
3.1 手动变速器的原理
3.2 倒车档的原理
4.同步器
4.1 换挡冲击与同步器
4.2 同步器的工作原理
5.自动变速器AT
5.1 没有离合的自动变速器
5.2 液力变矩器
5.3 行星齿轮变速系统
5.4 锁止离合器
5.5 自动变速器最多档位数
6.无级变速器CVT
6.1 无级变速器
6.2 无级变速器的结构
6.3 无级变速器的工作原理
7.双离合变速器DCT
7.1 双离合变速器的构造
7.2 双离合变速器的工作原理
8.序列式变速器SMG
8.1 序列式变速器
8.2 与自动离合变速器AMT的对比
9.自动离合变速器AMT
9.1 自动离合变速器
9.2 图示
10.变速器档位数
10.1 变速档位
10.2 变速档位数与汽车性能
1.引言
Transmission
没有变速器，汽车也能走。
但只能以一个速度前进，不能减速和加速，甚至一个小坡就能让汽车望而却步。
变速器发展至今，种类繁多，手动、自动、无级、手自一体、自动离合、双离合……
虽然种类繁多，但它们的变速原理，其实差不多。
注意
变速器一章的内容与下一章“传动系统”密切联系
如果有不理解的内容，建议在学习下一章后再回来看
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2.变速原理
Transmission Principle
2.1 自行车变速原理
当想以较快的速度前进时：
把后轴上的链轮切换成更小的，
这样蹬一圈中间的大链轮，后轮就可能转四五圈，
从而提高了行驶速度；
遇到顶风或上坡时：
可以将后轴上的链轮切换成直径更大的，
这样蹬一圈中间的大链轮，后轮可能也就转一两圈甚至半圈，
不太用劲儿就可以骑车攀爬上坡。
小结：
当主动链轮的直径和转速固定不变时：
从动链轮越小，从动链轮的转速也会越高，输出的转矩也会越小；
反之亦然
自行车变速原理示意图
2.2 汽车变速原理
起步时：
不需要较大的车速，但需要较大的转矩，
因此在起步阶段最好是让汽车低速、大转矩平稳运行；
在车速提高后：
不需要太大的转矩，而需要较高的车速。
变速器的作用就如同自行车的变速齿轮
根据行驶情况调节发动机输出的转速和转矩，从而使汽车顺利地起步、爬坡和快速行驶等。
2.3 齿轮原理
齿轮传动比
齿轮传动比简称齿比：
指主动齿轮与被动齿轮的角转速之比
也等于被动齿轮与主动齿轮的齿数之比。-- (更直观)
注意：齿轮越大，单位时间内扫过的角度越小，即ω越小，对应齿轮数越大，成反比
变速器的每个档位齿轮组合，都有一个与其他档位不同的传动比。
档位越低，其传动比越大 -- 大力慢速；
档位越高，其传动比越小 -- 小力快速
齿轮啮合原理
相互啮合的一对齿轮，直径越大或齿数越多的齿轮，它的转速越低，转矩越大；转速越高，则转矩越小
降低档位:
更换传动比更大的齿轮组合，也就是换直径较小的主动齿轮和直径较大的被动齿轮组合。
此时变速器输出的转速降低，转矩增大；
升档:
换直径较大的主动齿轮和直径较小的被动齿轮的齿轮组合，
此时变速器输出的转速提高，转矩减小。
齿轮变速原理示意图：
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3.手动变速器
Manual Transmission
3.1 手动变速器的原理
当离合器接合时，不管是在空档还是在任何档位：
变速器中每个档位的主动齿轮（红色齿轮）以及每个档位的从动齿轮（蓝色部分）始终啮合在一起，并按照各自的转速不停地旋转。
在空档时：
各个档位的所有从动齿轮并没有和输出轴连接，此时输出轴是静止不转的。
当挂上1档或其他前进档位时：
是将1档或其他档位的从动齿轮通过同步器（或称犬牙啮合套）和输出轴接合起来共同旋转。
当变换档位时：
则是换成新档位的从动齿轮来与输出轴接合并共同旋转。
5速手动变速器原理示意图：
3.2 倒车档的原理
倒档的主动齿轮和从动齿轮之间“夹”了一个中间轮
这样就可使输出轴的旋转方向与其他档位相反。
4速手动变速器构造示意图
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4.同步器
Synchronizer
4.1 换挡冲击与同步器
当操纵变速杆换档时：
其实是更换与动力输出轴接合的齿轮副。
由3档升到4档：
将正在与动力输出轴接合的3档齿轮副脱离，然后将4档齿轮副与动力输出轴接合。
在与新的齿轮副接合时：
动力输出轴基本保持原来上个档位的旋转速度，
在与新齿轮副接合时就会产生一定的速度差，
而不同转速的部件硬性接合时就会产生冲击，损坏齿轮。
利用同步器的特殊性能，可以减少换档冲击。
手动变速器中都设有几个同步器：避免换档时的冲击，使换档更加顺畅。
老式的汽车变速器上没有同步器：
为了减少换档冲击，换档时必须采取“两脚离合”的方法
即：升档时在空档位置稍停顿一下，降档时在空档位置稍踩下加速踏板，以减少齿轮之间的转速差
手动变速器原理示意图：
手动变速器构造图手动变速器构造图
4.2 同步器的工作原理
同步器也称为犬牙啮合套
它在与档位齿轮接合时如同犬牙一样相互交错在一起。
当向左推动同步器时，同步器上的同步环就与档位齿轮上的接合齿圈犬牙交错在一起。
同步器毂与动力输出轴是接合在一起的：
可以使档位齿轮与动力输出轴接合在一起，从而达到变速的目的。
同步器与档位齿轮接合示意图：
单件式同步器构造示意图：
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5.自动变速器AT
Automatic Transmission
5.1 没有离合的自动变速器
发明初衷：
懒人发明，想减轻换档操作的劳动强度，甚至不想来回换档
因此就在变速器中设计了一套自动换档机构，它可以自动完成变速操作
自动变速器的构造：
一套由液力变矩器、控制器、电磁控制机构、多片离合器和行星齿轮等组成的自动换档机构
自动变速器由两大部分组成：
液力变矩器；
行星齿轮变速系统
奥迪汽车6速自动变速器构造示意图：
5.2 液力变矩器
Hydraulic Torque Converter
液力变矩器的作用：
相当于手动档汽车上的离合器。
液力变矩器的原理：
类似两个对吹的电风扇，它们通过介质可以传递动力，起到离合器传递动力的作用
对吹电扇传递动力的介质是空气，而液力变矩器传递动力的介质是油液。
通过控制油液的流动状态，就可以控制动力和转速输出的大小。
从液力变矩器传递的动力，经行星齿轮组合变速，可实现自动变速。
液力变矩器与离合：
踩下制动踏板：
来自车轮的拖动力不会回传到发动机，因此不会导致发动机熄火，
此时相当于离合器分离；
当抬起制动踏板：
汽车又可以起步，此时相当于离合器接合。
液力变矩器的构造与工作原理
液力变矩器主要由三个“轮”组成：泵轮、导轮和涡轮。
在三个轮之间充满了液压油。
泵轮和涡轮：
与发动机曲轴相连，当发动机旋转时，泵轮便会随之旋转，
并搅动液压油，将其“甩向”与后面变速机构相连的涡轮，
使涡轮旋转，从而将动力传向后面的变速机构，最终传递到车轮。
导轮：
固定不动，作用是增大传递转矩。
液力变矩器构造示意图：
5.3 行星齿轮变速系统
行星齿轮
行星齿轮：指有自转和公转的齿轮结构。
中间的齿轮：像太阳，只能自转；
周围的小齿轮：像行星，围绕中间的太阳轮公转。
输出不同的转速和转矩：
将某一种齿轮固定不动时，就会变化出不同的传动比，包括反转
固定某种齿轮的动作：由液压机构执行，
发出执行命令的是：变速器控制器
行星齿轮的变速原理
行星齿轮机构共有三种齿轮：
中间的大齿轮称为太阳轮，
黄色的小齿轮称为行星齿轮，
最外面的齿圈称为环齿轮。
三种齿轮在进行变速时，分别作为固定齿轮、主动齿轮和从动齿轮，可变换出不同的传动比。
1）环齿轮固定：太阳齿轮为主动齿轮，行星轮为从动齿轮，或相反。
2）行星齿轮固定：太阳齿轮为主动齿轮，环齿轮为从动齿轮，或相反。
3）太阳齿轮固定：环齿轮为主动齿轮，行星齿轮为从动齿轮，或相反。
5.4 锁止离合器
当液力变矩器传递动力时：
采用液压油作为传递介质，大约有10%的能量损失；
这对节能降耗很不利，也会影响操控性。
为了解决这个问题，在液力变矩器和飞轮之间设置了一个单向锁止离合器
锁止离合器的工作原理：
车速较高时：用电控的方式起动此离合器，将液力变矩器的输入轴和输出轴锁止在一起，实现刚性直接传递动力。
也就是从发动机曲轴输出的动力，不需经过液力变矩器而直接传递到变速机构，从而提高传动效率。
随着技术的进步，一些自动变速器可以实现更大范围的锁止传动，甚至达到全档位的锁止传动。
5.5 自动变速器最多档位数
自动变速器从最初发明时的3速，已增加到现在最多9速自动变速器，
如奔驰、路虎和吉普等就有采用9速自动变速器的车型。
8速自动变速器：
主要配备在宝马和奥迪等车型上，
7速自动变速器：
仅在奔驰老款车型上还有使用。
市场主流：6速自动变速器
使用5速自动变速器的越来越少，而使用4速自动变速器就非常落后了。
奔驰9G-TRONIC PLUS 9速自动变速器示意图：
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6.无级变速器CVT
6.1 无级变速器
CVT 变速器也称为无级变速器，
行驶时在一个很大的范围内无缝地改变齿轮比。
这意味着无论速度如何，汽车始终都能高效工作。
CVT 旨在保持燃油经济性，尤其是在城市内行驶时
CVT变速器常用于汽车、雪地车、小型摩托车、土方机械和拖拉机。
6.2 无级变速器的结构
无级变速器的主要部件：两个滑轮和一条金属带
金属带：套在两个滑轮上
滑轮：由两块轮盘组成，两块轮盘中间的凹槽形成一个V形。
一边轮盘由液压控制机构操纵：
根据不同的发动机转速，进行分开与拉近，
V形凹槽随之变宽或变窄，将金属带升高或降低，
从而改变金属带与滑轮接触的直径，相当于在齿轮变速中切换不同直径的齿轮。
两个滑轮呈反向调节：
即其中一个带轮凹槽逐渐变宽时，另一个带轮凹槽就会逐渐变窄，从而迅速加大传动比的变化。
无级变速器变速原理示意图：
当向下推动滑轮时（如上图红色部分），左侧滑轮的直径就会变小，而右边滑轮的直径同时变大；
同理，当向上推动滑轮时（如下图红色部分），结果则相反，从而实现不同的传动比，达到变速的目的
6.3 无级变速器的工作原理
当汽车慢速行驶时：
令主动滑轮凹槽的宽度大于被动滑轮凹槽，
主动滑轮的金属带圆周半径小于被动滑轮的金属带圆周半径，即小圆带大圆，
因此能传递较大的转矩。
当汽车逐渐转为高速时：
主动滑轮的一边轮盘向内靠拢，凹槽宽度变小迫使金属带升起，直到最高顶端；
被动滑轮的一边轮盘刚好相反，向外移动拉大凹槽宽度迫使金属带降下，
即主动滑轮金属带的圆周半径大于被动滑轮金属带的圆周半径，变成大圆带小圆。
因此，能保证汽车高速行驶时的速度要求。
无级变速器工作原理示意图：
奥迪无级变速器构造图
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7.双离合变速器DCT
Double Clutch Transmission
7.1 双离合变速器的构造
双离合变速器（Double Clutch Transmission，简称DCT）
变速结构和原理与手动变速器一样，多了一个离合器，因此称为双离合变速器。
或者说，双离合变速器相当于把两个手动变速器整合在一起，交替传递动力。
7.2 双离合变速器的工作原理
两个离合器分别控制奇数档位和偶数档位。
换档时，让另一个离合器接合，从而直接换档，不需要再踩离合器踏板、摘档、挂档等动作。
可以说，换档只是换离合器，因此换档速度较快。
雷诺汽车双离合变速器原理示意图
奥迪汽车7速双离合变速器原理示意图：
大众汽车6速双离合变速器原理示意图：
奥迪汽车7速双离合变速器构造图（正在3档工作状态）：
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8.序列式变速器SMG
8.1 序列式变速器
简称为序列式手动变速器SMG（Sequential Manual Gearbox）。
操作方式：
类似常见的手自一体式变速器，
不用离合器踏板，自动更换档位；也可以推拉变速杆进行加档和减档。
内部的变速机构：
类似手动变速器一样，通过切换不同的变速齿轮组合进行变换档位，
比手动变速器多了一套自动换档机构和电子离合器
序列式变速器SMG构造示意图：
8.2 与自动离合变速器AMT的对比
相同点
都是在手动变速器的基础上加装一套自动换档机构，
从而实现不用踩离合器踏板就能自动换档的功能。
不同点
序列式变速器：
具有更高的传递效率和极短的换档时间
在赛车和高性能汽车上使用的
齿轮：
普通汽车的AMT：采用斜齿轮进行变速，
高性能汽车的SMG：采用直齿轮进行变速，
直齿轮：传递效率更高。
换档间隙：
SMG的换档机构：
有个带若干沟槽的棘轮，换档时+、-，其实就是在转动棘轮。
当棘轮转动时，卡在槽里的换档机构就会运动，
棘轮能同时控制多组拨叉，所以可以在一组齿轮分开的同时，使另一组齿轮啮合，几乎没有换档间隙，
而且只能逐级增档或减档，因此称为“序列式变速器”。
AMT的换档机构：
只是将手动变速器的离合器、换档拨叉的操作动作，由人工操作改为电动或液压机构自动操作，
只是更省人工。
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9.自动离合变速器AMT
Automated Manual Transmission
9.1 自动离合变速器
自动离合变速器AMT（Automated Manual Transmission），也称半自动变速器等
在手动变速器的基础上改进而来:
基本变速结构和手动变速器是一样的
在手动变速器的基础上加装一套自动换档装置，替代驾驶人进行离合器分离及更换档位的动作
可以利用电子控制单元
收集驾驶人的操作信息和车辆运行信息，
指挥电子液压机构来操纵离合器和换档拨叉，
从而实现自动换档。
9.2 图示
雪铁龙电控自动离合变速器构造图
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10.变速器档位数
Transmission Gear Number
10.1 变速档位
有级变速器与无级变速器
无级变速器：很大的范围内无缝地**改变齿轮比
有级变速器：一般都设有几个档
一般档位：
手动变速器一般为5～6档，
自动变速器则为4～9档。
10.2 变速档位数与汽车性能
爬楼梯类比变速档位数：
同一楼层高度下，台阶数越多，单个台阶越低，楼梯爬起来越省力。
同样，汽车变速器档位数越多：
汽车加速时更顺畅、省力，
加速时的顿挫感更小，舒适性更好，
同时更省油。
无级变速器类比：
相当于乘坐滚梯，可以没有台阶地一路斜上，
没有顿挫感，非常顺畅，而且更省劲，也更省油。
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END