變速器類型與特點概述

王浩坤 四川省遂寧中學外國語實驗學校

一、變速器的基本原理及發展歷史

變速器是用來改變來自發動機的轉速和轉矩的機構，它能固定或分檔改變輸出軸和輸入軸傳動比[1]。它被廣泛地運用于日常生活中，最常見的汽車上就有它身影，既可以說汽車造就了變速器，也可以說變速器造就了汽車。以最簡單的變速器為例，如圖1所示，動力由輸入軸傳入，通過不同尺寸的齒輪嚙合，達到改變轉速與扭矩的效果，再由輸出軸傳出，傳至差速器。第一輛汽車是在1886年由卡爾·本茨發明的，雖然是三輪汽車，但卻造出了現代汽車的雛形，那時的發動機直接與傳動軸相連，進而將動力傳到車輪，由于過快的轉速使得車速難以控制，在此高速情況下對車輪制動，傳動軸的動力與剎車產生的摩擦力相互作用，強大的轉矩使傳動軸和發動機會受到不同程度的損壞，傳動軸重則直接斷裂，輕則金屬內部損傷，發動機的氣缸重則爆裂，輕則活塞內部拉缸，便會造成人員傷亡，在諸多方面的限制下內燃機沒有得到長足的發展，人們無法制造出大馬力的內燃機。基于這樣的情況，變速器就應運而生了。

Figure 1 變速器原理

二、MT-手動變速器

在1889年，第一臺變速器問世，這是由法國標致公司研發而成的，將其運用于汽車的傳動方面，其原理是通過不同尺寸的齒輪嚙合達到不同的變速效果，但實際應用中，要想把一個很高的速度變成一個能夠使汽車行駛的速度，只使用兩個齒輪是難以辦到的，發動機的一般轉速能達到3000轉每分鐘，車輪一般是300轉每分鐘，而要做出10：1的齒輪在體積上是無法在汽車上裝配的，為此單一的齒輪結構是不滿足汽車的變速，多齒輪的組合才能滿足汽車的變速。

Figure 2 MT-手動變速器

最早開發的MT-手動變速器在一定程度上促進了汽車產業的不斷發展，這種有級式變速器需要用手手撥動變速桿才能改變變速器內齒輪嚙合的位置，從而改變傳動比，達到變速的目的[2]，如圖2所示。

MT-手動變速器的優點是：1、結構簡單，常用齒輪變速器的檔數為四到五檔，還會有倒擋的加入。2、性能可靠，不同的檔數改變輸出軸的傳動比，讓駕駛者更具有駕駛樂趣3、制造和維護成本低廉，由于其簡單的結構，使其裝配與拆解非常方便，而當齒輪磨損產生變速器異響、漏油與跳檔時，只需檢查相應的齒輪是否嚙合再進行更換。4、傳動效率高，齒輪采取硬鏈接的方式使其高度嚙合，從而具有更高的效率，也更加省油。但其缺點也很明顯：當行駛在擁堵的城市道路上，駕駛者會疲于頻繁地撥動變速桿，高強度地變速使變速器不斷發熱，在一定程度上會造成齒輪受損。MT-手動變速器雖然已有沒落之勢，但是作為元老級別的變速器卻推動了汽車的發展，之后各種各樣的變速器基于MT不斷革新。

三、AT-液力變速器

在1908年，AT-液力自動變速器隨后產生，福特T型汽車應用了一種后驅行星齒輪轉動的3速變速器，而此時的液力變速器需要用腳踏板完成，真正定型的時間是在1940年，由美國通用公司研發[3]，由液力變扭器、行星齒輪和液壓操作系統組成，液力變速器不用離合器[4]，只有低速、高速與倒車三個檔位。

Figure 3 AT-液力變速器

AT-液力變速器，優點是1、駕駛方便，相比與AT來說駕駛者可以聚精會神地駕駛，不用撥動變速桿，減少事故發生率。2、故障率低，由于主要是受液壓的控制，并且有變速箱油的保護，變速器中齒輪的磨損大大降低。缺點1、傳動效率不高，由于液力變速器有一定的延遲性，機械無法及時對路況做出準確應答，若在長時間的道路堵塞以及低速運行時，車輛的起起停停會增加油耗。2、維修困難，液壓系統與行星齒輪本來在結構上就極為復雜，維修時候就更難判斷哪一出出了問題，也會造成維修時間的延長。但很多問題隨著AT技術的不斷進步，上面的問題已得到解決，現在液力變速器已達到8AT，因其動力的平滑地輸出而帶來的良好駕駛感受，AT被用于豪華型轎車上，不用于大型貨車，推動了后來轎車行業的發展。

四、 CAT-無級變速器

到了20世紀70年代以后，機械式無級變速器在日本獲得了迅速和廣泛的發展[5]，CVT采用傳動帶和工作直徑可變的主動輪和從動輪相配合來傳遞動力，實現了傳動比的連續改變[6]，與一般的齒輪式變速器最大的區別是沒有復雜笨重的齒輪組合，而是用了傳動帶與傳動輪相連接，進而找到與發動機的最佳匹配點。

Figure 4 CAT-無級變速器

CAT-無級變速器，優點是1、結構簡單，CVT的結構小，零件少，大體上為一條鋼帶兩個傳動，便可進行變速。2、生產成本低，但技術要求高，之前的CVT受限于材料與工藝方面的難題，但批量生產便會降低成本，減少材料的使用。3、更加省油，無級變速器能與發動機達到最佳配合，從而降低油耗，減少氣體排放。缺點1、鋼帶壽命短，雖然材料的問題有所解決，但是由于處于高速旋轉狀態的鋼帶會有一定的磨損，要適當時候對鋼帶檢查。2、傳動效率低，帶傳動是柔性傳動，并且鋼帶的磨損會使其打滑，傳動效率會難以避免地逐漸降低。CVT的研發與應用不超過40年，符合當前低碳生活，創造節約型生活的要求，無級變速器的低耗油量受到了市場的青睞，而將其運用于混合動力汽車的想法也受到重視，CVT會在未來會逐漸占領汽車的市場份額。

五、DCT-雙離合變速器

到了20世紀90年代，德國大眾公司生產出了適用于大批量生產和應用的主流車型雙離合變速器DCT[7]，即還原了喜愛手動擋駕駛者的樂趣，又解決了MT-手動變速器換擋帶來的頓挫感。DCT-雙離合變速器，也就是使用了兩套手動變速器，一個負責奇數檔，一個負責偶數檔，當掛入某一檔位時，下一檔位已經預選，保證了換擋的平滑性。雙離合變速器主要分成兩種，第一種是濕式雙離合變速器WDCT，將離合器片泡在油槽中，通過油來對離合器片降溫，第二種是干式雙離合變速器，需要通風散熱。

Figure 5 DCT-雙離合變速器

DCT-雙離合變速器，優點1、快速換擋，與MT相比來說換擋更快，換擋時無停頓，流暢地換擋。2、更加省油，由于其快速的換擋，速度逐漸加快，讓動力一直處于傳輸狀態。缺點1、技術不成熟，早些年大眾公司召回了部分DCT汽車，并重新檢修，新技術的使用會存在一定的危險。2、造價高，雙離合變速器的結構復雜，無論是銷售還是維修，費用都不是小數目，要得到廣泛普及還是需要一定的時間。

六、總結與展望

縱觀這變速器一百來年的發展，隨著汽車的不斷完善，變速器也在不斷發展，從一開始的MT-手動變速器，到后來的AT-液力變速器，以及CAT-無級變速器，再到DCT-雙離合變速器，都是從手動到自動，從最開始只具有前進檔與倒退檔發展到現在的多檔，滿足了不同人們對駕駛不同層次的需求，充分展示了人們對駕駛的理解，從最開始駕駛只是為了代步，到現在感受駕駛帶來的享受，從最簡單的齒輪再到復雜的嚙合，都充分體現了人們在變速器的發展史上留下的足跡，而這足跡將會走到遙遠的未來，將來的變速器會在當前的基礎上進行簡單化，現在的CAT-無級變速器就是一個明顯的例子，它的原理與結構相比與之前的變速器更加簡單化，它能與發動機達到最佳的適配點，降低了油耗，節能減排，但鋼帶的加入讓加工材料與應用技術變得越發復雜。隨著汽車越來越自動化，變速器也會變得越來越自動化，從人們根據實際情況去判斷，手動改變變速器的扭矩，再到將來變速器通過儀器測出不同路況的數據，自行選擇用什么樣的標準來使汽車在該路況上達到最佳化，使動力最大限度地使用，可以燃油最大化，建設以節約型經濟的友好社會，讓駕駛者與乘客有更好的駕駛體驗與乘坐體驗。變速器經過了又少檔位再到多檔位的發展，自動化的變速器會在一定程度上減少變速器的檔位，基于此未來的變速器會發生翻天覆地的變化，結構會變得更簡便，一個齒輪可能會產生不同的扭矩，在汽車拐彎或者上下坡時，變速器對不同行駛狀態的車輪速度的分配，讓汽車行駛更穩定。

[1]俢作剛，葛大勇.變速器齒輪齒部精度控制[J].科技風, 2017(6):182.

[2]張海濤, 王恰鋒, 劉曉光. 淺談自動變速器發展簡史[J].科技信息:學術研究,2008(4):196+198.

[3]黃偉.轎車新型無內環扁平液力變矩器研究[D].吉林大學, 2011.

[4]蘇強.淺談AT變速器換檔沖擊的維修[J].科研,2016(10):00001.

[5]邢偉.機械式無級變速器技術綜述[J]. 科技尚品, 2017(5):176.

[6]白木,周潔.無級變速器--汽車制造的重大技術革新[J].北京汽車, 2004(1):23-26.

[7]江靈智. DCT雙離合器自動變速器技術運用和發展趨勢[J].赤子旬刊, 2013(7).