轿车手动变速器设计综述

变速器设计综述
汽车问世百余年来，特别是从汽车的大批量生产及汽车工业的大发展汽车
己为世界经济的发展、为人类进入现代生活，产生了无法估量的巨大为人类社会
的进步做出了不可磨灭的巨大贡献，掀起了一场划时代的革命从汽车采用内燃机
作为动力装置开始，变速器就成为了汽车重要的组成现代汽车上广泛采用的往复
活塞式内燃机具有体积小、质量轻、工作可用方便等优点，但其转矩和转速变化
范围较小，而复杂的使用条件则要的牵引力和车速能在相当大的范围内变化，故
其性能与汽车的动力性和之间存在着较大的矛盾，这对矛盾靠现代汽车的内燃机
本身是无法解决此，在汽车传动系中设置了变速器和主减速器，以达到减速增矩
的目的。

一，变速器的产生

世界上第一台汽车是由德国工程师卡尔.苯茨(KartBenz)在1886年发明的，

当时并没有变速器。目前被广泛承认的第一台汽车变速器则出现在1894年。法
国工程师路易师·雷纳·本哈特和埃米尔·拉瓦索尔在其制造的本哈特—拉瓦索
尔汽车上准备了他们发明的变速器。直到1904年，本哈特—拉瓦索手操作滑动
齿轮变速器被汽车界普遍采用，从此改变了汽车的传动系统，变速器也正式踏进
历史舞台。而当时变速器的原理，和现在手动变速器的原理几经基本相同了。

二，变速器的主要功能
(l) 改变汽车传动比，增加驱动车轮转矩和转速变化的范围，以适应经常变化的
行驶工况，同时应使发动机时刻处于最有利的工况范围内工作;
(2) 在发动机旋转方向不变的前提下，实现汽车的倒退行驶;
(3) 实现空档状态，暂时中断动力传递，以便发动机能够启动、怠速等。

三，变速器分类
目前汽车上采用的变速器具有多种结构形式，按传动方式和操纵方式的不同
可作如下的分类:
(1) 按变速器传动比的变化方式可分为有级式、无级式和综合式三种。
① 有级式变速器采用齿轮传动，由多组不同的齿轮相互啮合进行传动，它有几
个可供选择的固定传动比，其传动比的变化也不是连续的，而是分级变速的。按
其中齿轮组成轮系的不同，又可分为齿轮轴线定的普通齿轮变速器和部分齿轮
(行星齿轮)轴线旋转的行星齿轮变速器两种。
② 无级式变速器的传动比可在一定范围内连续变化，根据传力介质的不同又可
分为液力式和电力式。
③ 综合式变速器由液力变矩器和行星齿轮式变速器共同组成的，其传动比可以
在最大值与最小值之间若干个分割的区间内作无级变化。
(2) 按变速器操纵方式的不同可分为强制操纵式、半自动操纵式和自动操纵式三
种。
① 强制操纵式变速器是靠汽车驾驶员直接用手操纵变速杆来实现选档和换档
的。齿轮式有级变速器大都采用的是强制操纵的换档方式。
② 半自动操纵式变速器可分为两种，一种是部分档位自动换档，部分档位手动
(强制)换档;另一种是预先用按钮选定档位，同时连接变速器换档机构的控制系
统，在控制系统操纵下由执行机构自行换档。
③ 一自动操纵式变速器的传动比选择和换档是自动进行的。驾驶员只需操纵加
速踏板，变速器的自动控制系统就可以根据发动机的负荷号和车速的变化信号自
动地选定档位来控制执行元件，实现档位变换。

四，国内外发展现状和趋势
汽车行驶的速度是不断变化的，即要求汽车变速器的变速比要尽量多，这就
是无级变速(简称CVT)。尽管传统的齿轮变速器并不理想，但以其结构简单、效
率高、功率大三大显著有点依然占领着汽车变速器的主流地位。在跨越了三个世
纪的一百多年后的今天，汽车还没有使用上满意的无极变速器，这是汽车的无奈
和缺憾。但是，人们始终没有放弃寻找实现理想汽车变速器的努力，各大汽车厂
商对无极变速器(CVT)表现了极大的热情，极度重视CVT在汽车领域的实用化进
程。这是世界范围尚未根本解决的难题，也是汽车变速器研究的终极目标。
据业内预测，2013年欧洲变速器市场上的统计数据将会改变，配备手动变速
器的汽车将占52%，配备自动手动变速器的将占10%，配备无级变速器的将占2%，
配备双离合器变速器的将占16%，配备自动变速器的将占20%。但也有业内专家指
出，预测都是根据现有的变速器种类进行的，新变速器产品还在不断研发过程中，
因此今后汽车市场的变速器情况可能还会出现一些变化。
目前，许多变速器生产企业正在研发一些燃油经济性更好、换挡性能更高的
变速器，以满足市场上的多层次需求。例如，某公司正在研制一种传动效率可达
92%、换挡性能更好的变速器。有人表示，在不久的将来，变速器市场可能会出
现3、4个新“品种”。

1.自动变速器向多挡位发展
随着世界汽车工业的迅速发展， 车辆性能不断优化，电子化程度加强， 自
动变速器中新型结构和装置相继涌现。自动变速器自从1904 年通用汽车公司的
Cadillac汽车采用手操纵的三档行星齿轮变速器发展开始， 经历了自动变速前
期、液力变速阶段、电控自动变速阶段、智能自动变速阶段四个阶段。尤其是现
阶段自动变速器结构性能的不断提高及换挡理论的完善， 自动变速器已能按汽
车的最佳油耗规律自动换档。鉴于其自身大量的优点， 故自动变速器在各种车
辆中得到了广泛的运用。
随着自动变速器汽车保有量的上升，自动变速器技术的演变也由过去传统的
简单4前速电子控制(3个电磁阀)发展到今天的6、7、8前速(多电磁阀控制)的模
糊逻辑控制加网络控制。近几年来，轿车自动变速器挡位数不断增加的趋势非常
明显，从传统的4速快速到5、6、7、8速。挡位数的增多就意味着总的传动比范
围在加宽，而相邻两挡之间的传动比又在拉近，因此换挡时间会变得提前，同时
又是在发动机的转速下完成。所以，既保证了燃油经济性，同时还满足了其加速
性能。如今，全球各大自动变速器生产厂商都已推出5前速以上的多挡自动变速
器。
2.机械结构逐渐简化
虽说新型变速器挡位数在增多，但并不意味着变速器整体结构和体积变得复
杂和加大，这是因为机械元件的组合也由过去众多数量的换挡执行元件控制多个
行星排来实现简单4前1倒的变速功能，发展到今天的5个换挡执行元件控制所谓
的“莱
佩莱捷式”行星齿轮组通过逻辑组合即可实现6前1倒的变速功能，零部件数量
明显减半。

3.电子控制人性化
在机械和液压方面似乎越来越简化其设计结构，元件少了、阀门数量也少了，
但在其电子控制方面的整体控制思路却越来越复杂，而且控制要求越来越精确，
特别是在扭矩协调控制、安全保护控制、模糊逻辑控制、重叠换挡控制等人性化
方面更加明显。为了改善换挡质量、体现驾驶舒适性，自动变速器换挡过程中发
动机必须实现扭矩协调控制，发动机在自动变速器换挡过程中主要通过瞬间改变
喷油量和延迟点火等功能来维持换挡过渡平顺性能；安全保护控制主要是指当自
动变速器机械、液压、电子控制等方面出现故障时，且该故障能够对变速器构成
较大威胁，为保护变速器不受进一步伤害，自动变速器电脑通过接收各传感器信
息后所启动的一项保护措施。

4.执行器数量在增多，同时其控制类型也在改变
自动变速器执行器电磁阀数量越来越多了，开关型电磁阀少了，而频率的多
了，同时控制油路的机械滑阀数量也越来越少了(多电磁阀控制的目的是改善换
挡质量)。一个滑阀可能会根据油路的转换实现多用途，一个简单的电磁阀也会
实现多用途，它既可以实现换挡控制，同时还可以担负油压调节控制。在过去传
统型电子控制自动变速器中，换挡油路的切换是靠开关型电磁阀来控制的，该油
路只是一个开关型的切换油路(为使换挡执行元件接合时不必产生过大的振动，
在油路的缓冲控制中通常采用节流和储能装置实现减缓控制)。而在6HP系列中的
执行器中，采用6个具有高流量特点高频率的脉宽调制电磁阀，其中1个(EDS5)
主要用来完成系统压力调节功能，另外1个(ED S6)用来完成发动机与变速器的机
械连接功能(T C C)，剩下4个电磁阀(E D S1-A、E D S2-B、E D S3-C、E D S4-E/D)
分别控制着5个换挡执行元件的接合与分离，也就是说换挡油路控制由原来的开
关型转变为调节型，这样就大大改善了其换挡质量。

五，总结

尽管自动变速器的技术越来越完善，变速器发展迈向一个可观的领域，但

手动车型到目前为止还是车市中最主流的车型。目前手动变速器的技术已经非常
成熟，因其传动效率高，结构简单，维修保养成本低，仍备受青睐。其带来的驾
驶乐趣短时间内自动变速器也无法取代。所以在未来一段时间内手动变速器仍然
为主流，手动变速器的研究也不可停滞。