3.1 手動變速器構造

手動變速器因其結構簡單、制造成本低、維修容易等特點，被廣泛應用在汽車上。手動變速器類型按變速器前進擋數多少，常用的有四、五、六、九、十、十一、十二、十六擋變速器。按傳動軸數不同，可分為兩軸式、三軸式和組合式3類。發動機前置、前輪驅動形式的汽車采用兩軸式變速器，例如奧迪100型轎車、捷達轎車、夏利轎車；發動機前置、后輪驅動形式的汽車采用三軸式變速器，例如解放CA1092、東風EQ1090E型等中型汽車變速器。組合式變速器通常由擋位數較多的主變速器和僅有高低兩個擋位的副變速器串聯而成，使變速器有較多擋位，擴大傳動比，保證汽車具有良好的動力性、經濟性和加速性，如斯太爾等重型汽車采用2FS6-90變速器。

3.1.1 齒輪傳動變速、變向原理

1．齒輪傳動變速原理

手動變速器是利用不同齒數的齒輪嚙合傳動的組合實現轉速和轉矩的改變。假設一對嚙合傳動的齒輪，小齒輪齒數Z1=20，大齒輪齒數Z2=40。則在相同的時間內，小齒輪轉一圈，大齒輪只轉1/2圈，如果小齒輪是主動齒輪，它的轉速經大齒輪輸出時就降低了；若大齒輪為主動齒輪，它的轉速經小齒輪輸出時便提高了，這就是齒輪傳動的變速原理。

由齒輪傳動的原理可知，一對齒數不同的齒輪嚙合傳動時可以變速，因為這對齒輪是逐齒嚙合傳動的，在相同的時間內，兩齒輪嚙合過去的輪齒數必定相等，而且兩齒輪的轉速與齒輪的齒數成反比。設主動齒輪的轉速為n1，齒數為Z1；從動齒輪的轉速為n2，齒數為Z2。主動齒輪（即輸入軸）的轉速與從動齒輪（即輸出軸）的轉速之比值稱為傳動比，用i1,2表示。

i1,2=n1/n2=Z2/Z1

即

n1·Z1=n2·Z2

i1,2=n1/n2=Z2/Z1=40/20=2

變速器里有多對齒輪副，通過不同的搭配而得到不同的傳動比。對于兩對齒輪副傳動，如圖3.1（a）所示，則有：

i1,2=n1/n2=Z2/Z1, n1=Z2/Z1·n2

i3,4=n3/n4=Z4/Z3, n4=Z3/Z4·n3

這兩對齒輪副傳動總傳動比i1,4=n1/n4=Z2·Z4/Z1·Z3=i1,2·i3,4

上式說明，多級齒輪傳動的傳動比

i=所有從動齒輪齒數連乘積/所有主動齒輪齒數連乘積=各級齒輪傳動比連乘積

所以汽車變速器某一擋位的傳動比就是指這一擋位各級齒輪傳動比的連乘積。

功率P=ω·M=2πn/60·M（W）

式中：P——功率（W）；

M——扭矩（N·m）；

n——轉速（r/min）。

在不考慮其他能量損失的情況下，主動齒輪即輸入軸功率P1等于從動齒輪即輸出軸的功率P4，即

P1=P4

M1·n1=M4·n4→M4/M1=n1/n4=i1,4

上式說明，傳動比既是降速比也是增扭比，汽車手動變速器就是利用這個原理，設置多對齒輪傳動進行不同組合，通過擋位變換來改變傳動比，從而實現多級變速的，以滿足汽車對不同牽引力的需要。

當變速器某擋傳動比i＞1時，為降速增扭傳動，其擋位稱為降速擋；當i＜1時，為增速降扭傳動，其擋位稱為超速擋；當i=1時，為等速等扭傳動，其擋位稱為直接擋。

把變速器傳動比值較小的擋位稱為高擋，傳動比值較大的擋位稱為低擋；變速器擋位的變換稱為換擋，由低擋向高擋變換稱為加擋或升擋，反之稱為減擋或降擋。

2．齒輪傳動變向原理

由齒輪傳動原理可知，一對相嚙合的外齒輪旋向相反，每經過一傳動副，其軸改變一次轉向。兩軸式變速器在輸入軸與輸出軸之間加裝了一倒擋軸和倒擋齒輪，即可變向。而三軸式變速器則在中間軸與輸出軸之間加裝了一倒擋軸和倒擋齒輪，如圖3.1（b）所示，就可使輸出Ⅱ軸與輸入軸Ⅰ轉向相反，從而可實現汽車倒向行駛。

3.1.2 手動變速器構造

手動變速器由變速傳動機構、變速操縱機構兩部分組成。變速傳動機構改變轉矩、轉速和旋轉方向；變速操縱機構控制傳動機構實現變速器傳動比的變換。在越野汽車上，為了將變速器輸出的動力分配到各驅動橋，變速器后裝有分動器。

1．變速傳動機構

1）兩軸式變速器

兩軸式齒輪變速器主要應用于發動機前置、前輪驅動或發動機后置、后輪驅動的中、輕型轎車上，以便汽車的總體布置。目前，轎車上采用發動機前置、前輪驅動的布置形式越來越廣泛。其中前置發動機又有縱向布置和橫向布置兩種形式，與其配用的兩軸式變速器也有兩種不同的結構形式。下面以奧迪100型轎車的兩軸式齒輪變速器變速傳動機構為例，介紹縱向布置的兩軸式變速器組成，如圖3.2所示。

該變速器輸入軸1通過離合器與發動機曲軸相連；輸出軸12經主減速器將運動和動力傳給驅動輪。具有5個前進擋和1個倒擋，并采用鎖環式同步器換擋。在輸入軸上，從左向右的齒輪依次為一、二、三、四、五擋和倒擋的主動齒輪，其中三、四擋主動齒輪通過軸承空套在輸入軸上，其間設有與輸入軸固定連接的同步器花鍵轂7。在輸出軸上，從左向右的齒輪依次為上述各前進擋和倒擋的從動齒輪，其中齒輪28、23、20、13均通過軸承空套在輸出軸上，且齒輪28與13之間和齒輪20與13之間，分別設有與輸出軸固定連接的同步器花鍵轂26和18。倒擋主動齒輪11、倒擋中間齒輪15和倒擋從動齒輪13位于同一旋轉平面內。當變速器操縱機構將3個同步器接合套都置于同步器花鍵轂中央時，變速器處于空擋狀態，轎車既不能前進也不能倒退。當變速器操縱機構將同步器接合套25向左或向右移動使其與相應的接合齒圈接合時，便可得到一擋或二擋；向左或向右移動接合套6時，便可得到三擋或四擋；向左或向右移動同步器接合套17時，便可得到五擋或倒擋。

一擋傳遞路線：同步器接合套25左移，動力經輸入軸1→一擋主動齒輪2→一擋從動齒輪28→同步器鎖杯27→同步器接合套25→同步器花鍵轂26→輸出軸12。

二擋傳遞路線：同步器接合套25右移，動力經輸入軸1→二擋主動齒輪3→二擋從動齒輪23→同步器鎖杯24→同步器接合套25→同步器花鍵轂26→輸出軸12。

三擋傳遞路線：同步器接合套6左移，動力經輸入軸1→同步器花鍵轂7→同步器接合套6→同步器鎖杯5→三擋主動齒輪4→三擋從動齒輪22→輸出軸12。

四擋傳遞路線：同步器接合套6右移，動力經輸入軸1→同步器花鍵轂7→同步器接合套6→同步器鎖杯8→四擋主動齒輪9→四擋從動齒輪21→輸出軸12。

五擋傳遞路線：同步器接合套17左移，動力經輸入軸1→五擋主動齒輪10→五擋從動齒輪20→同步器鎖杯16→同步器接合套17→同步器花鍵轂18→輸出軸12。

倒擋傳遞路線：同步器接合套17右移，動力經輸入軸1→倒擋主動齒輪11→倒擋中間齒輪15→倒擋從動齒輪13→同步器鎖杯19→同步器接合套17→同步器花鍵轂18→輸出軸12。

桑塔納2000系列轎車采用五擋手動變速器，由傳動機構、操縱機構、變速器殼體等組成。該變速器的5個前進擋均裝有鎖環慣性式同步器，其結構如圖3.3所示。當駕駛員掛上某一擋位時，動力由輸入軸傳入變速器，通過相嚙合的齒輪副將動力由輸出軸傳至主減速器，在變速器中實現了變速、變扭的作用。變速器設置有超速擋，傳動比小于1，主要用于在良好路面或空車行駛時，提高汽車的燃料經濟性。桑塔納2000系列轎車五擋手動變速器的性能參數見表3.1。

兩軸式變速器從輸入軸到輸出軸只通過一對齒輪傳動，前進時只有一對齒輪傳動，倒擋傳動路線中也只有一個中間齒輪，因而結構簡單、機械效率高、噪聲小。但由于它不可能有直接擋，因而最高擋的機械效率比直接擋低，并且傳動比變化小，只用在中、小型轎車上。

2）三軸式變速器

三軸式變速器傳動比變化范圍大，在中、小型貨車，越野車上被廣泛采用。東風EQ1090E型汽車的三軸式變速器變速機構簡圖，如圖3.4所示。

該變速器有輸入軸即第一軸1、中間軸15和輸出軸即第二軸14等3根軸。第一軸前端與軸承配合并支承在發動機曲軸后端的內孔中，其花鍵部分用以安裝離合器從動盤；后端與軸承配合并支承在變速器殼體的前壁上，齒輪2與此軸制成一體。中間軸兩端均用軸承支承在變速器殼體上；其上固定連接齒輪23與齒輪2構成常嚙合傳動副；齒輪20、21、22分別為二、三、四擋主動齒輪并固定連接其上；與該軸制成一體的齒輪18為一擋和倒擋共用的主動齒輪。第二軸前、后端分別用軸承支承于第一軸后端孔內和變速器殼體的后壁；其上齒輪12是采用花鍵連接并能通過操縱機構軸向滑動的一擋和倒擋公用的從動齒輪；齒輪11、7、6分別為二、三、四擋從動齒輪并用軸承支承其上，它們分別與齒輪20、21、22保持常嚙合；花鍵轂24和25分別固定在齒輪11與7和6與2之間；兩轂上的外花鍵分別與帶有內花鍵的接合套9和4連接，且接合套通過操縱機構能沿花鍵轂軸向左右滑動，可分別實現與齒輪11或7、齒輪6或2上的接合套圈接合。倒擋軸16上的雙連倒擋齒輪17和19采用軸承支承，且齒輪19和18呈常嚙合。

由圖3.4所示可見，當第一軸1旋轉時，通過齒輪2即可帶動中間軸及其上所有齒輪旋轉。但因從動齒輪6、7、11均采用軸承空套在第二軸上，且接合套4、9和齒輪12均處于中間位置，不與任何齒輪的接合齒圈接合，也不與齒輪18或17接合，第二軸不能被驅動，故變速器處在空擋狀態。

通過使用變速器操縱機構，控制接合套或同步器變換擋位，各擋位傳遞路線如下：

一擋傳遞路線：滑動齒輪12左移，動力經第一軸1→齒輪2→齒輪23→中間軸15→齒輪18→齒輪12→接合套9→花鍵轂24→第二軸14。

二擋傳遞路線：同步器接合套9右移，動力經第一軸1→齒輪2→齒輪23→中間軸15→齒輪20→齒輪11→第二軸14。

三擋傳遞路線：同步器接合套9左移，動力經第一軸1→齒輪2→齒輪23→中間軸15→齒輪21→齒輪7→齒圈8→接合套9→花鍵轂24→第二軸14。

四擋傳遞路線：接合套4右移，動力經第一軸1→齒輪2→齒輪23→中間軸15→齒輪22→齒輪6→齒圈5→接合套4→花鍵轂25→第二軸14。

五擋傳遞路線：接合套4左移，動力經第一軸1→齒輪2→齒圈3→接合套4→花鍵轂25→第二軸14。

倒擋傳遞路線：滑動齒輪12右移，動力經第一軸1→齒輪2→齒輪23→中間軸15→齒輪18→倒擋齒輪19→倒擋齒輪17→齒輪12→第二軸14。

解放CA1092型汽車六擋變速器也是三軸式變速器，其結構與東風EQ1090E三軸式變速器相似，只是增加了一個擋位。二擋使用鎖銷式同步器，三～六擋使用鎖環式同步器。組裝好的變速器總成用螺栓固定在離合器殼上，并以第一軸軸承蓋的外凸面與離合器殼相應的孔配合，以保證第一軸和曲軸的軸線重合。第二軸后段花鍵上裝有用以連接萬向傳動裝置的凸緣。第一軸的前端用向心球軸承支承在飛輪的中心孔內，其后端則利用圓柱滾子軸承支承在變速器殼體上。第二軸的前端用滾針軸承支承在第一軸齒輪內孔中，其后端亦利用圓柱滾子軸承支承在殼體上。中間軸的兩端也采用圓柱滾子軸承為支承。倒擋軸用鎖片固定在殼體上，防止其轉動和軸向移動。在該變速器中各個擋位利用同步器和接合套換擋，第二軸和中間軸的軸向尺寸較大。為提高軸的支承剛度和軸承的承載能力，故第一、二軸和中間軸的支承有必要全部采用圓柱滾子軸承。但由于圓柱滾子軸承的接觸線長，滾動阻力較大，在汽車的大負荷、長時間運行中，易產生發熱現象，嚴重時軸承可能被燒毀，故應加強變速器的潤滑。

北京切諾基吉普車AX4型或AX5型變速器均是三軸式變速器，AX4型有4個前進擋，一個倒擋，四擋為直接擋。也有少數車采用AX5型變速器，有5個前進擋，一個倒擋，五擋為超速擋，前進擋均采用鎖環式慣性同步器。該車變速器采用橫向剖分式帶有中間隔板的整體式變速器殼體。在中間隔板上安裝著齒輪傳動機構和換擋機構。這樣一方面能使變速器的檢查、維修、調整和裝配直觀方便；另一方面又能使換擋機構及其互鎖裝置緊靠齒輪傳動機構使其結構極為緊湊。但殼體加工精度要求高，中間隔板的兩面均有定位銷定位。

為減少內摩擦引起的零件磨損和功率損失，須在殼體內注入齒輪油，可采用飛濺方式潤滑各齒輪副、軸與軸承等零件的工作表面。因此，殼體一側有加油口，殼體底部有放油塞，油面高度即由加油口位置控制。為防止變速器工作時由于油溫升高、氣壓增大而造成潤滑油滲漏現象，在變速器蓋上裝有通氣塞。

與二軸式變速器比較，三軸式變速器第一軸動力不經中間軸直接傳到第二軸，其傳動比為1，稱之為直接擋。其傳動效率最高，亦可獲得最高車速。但此外的其他前進擋須經兩對齒輪傳動，倒擋須經3對齒輪傳動，故傳動效率有所降低，噪聲會有所增大。

3）綜合式變速器

重型汽車的裝載質量大，使用條件復雜，要保證重型汽車具有良好的動力性、經濟性和加速性，必須擴大變速器傳動比的范圍并增加擋位數。為避免變速器的結構過于復雜和便于系列化生產，多采用組合式機械變速器。即以一二種4～6擋變速器為主體，通過更換系列齒輪副和配置不同的副變速器，得到一組不同擋位數、不同傳動比范圍的變速器系列。目前，組合式機械變速器已成為重型汽車采用的主要類型。在安凱、西沃、亞星奔馳、桂林大宇及廈門金龍等企業的7～12m高檔大、中型客車以及總質量在14～50t重型載貨車及各種專用車、特種車上配套采用。

中國重型汽車集團公司生產的斯太爾重型汽車用ZFS6-90變速器傳動機構，如圖3.5所示，它為了得到較多的擋位，在主變速器Ⅰ的后面串聯安裝了一個兩擋副變速器Ⅱ，這樣可得到10個前進擋。在主變速器Ⅰ中，除倒擋采用直齒輪傳動外，其余各擋均采用斜齒輪傳動。二～五擋采用同步器換擋，而一擋和倒擋是利用接合套11的移動完成換擋的。副變速器Ⅱ中的高速擋即直接擋和低速擋的掛擋亦采用了同步器。當副變速器中的同步器接合套17左移與固定外齒圈16接合時，行星齒輪內齒圈15被固定而不能轉動，則副變速器掛入低速擋。當使接合套17右移與副變速器高速擋齒圈18接合時，行星齒輪軸14、輸出軸19、行星齒輪內齒圈15和副變速器輸入軸齒輪20固連在一起而同步旋轉，則副變速器掛入高速擋。

潤滑油泵2由第一軸直接驅動，并通過第一軸和第二軸6中的中心油道來潤滑第二軸上的常嚙齒輪5、7、9、10、12的內孔與第二軸的配合表面以及副變速器中的行星齒輪軸14。

主、副變速器的擋位分別由主、副變速操縱機構控制，并要求先使用副變速桿，選定所需低擋或高擋，然后使用主變速桿選擇所需擋位。副變速器處于低擋時，可獲得一、二、三、四、五前進擋和倒擋；副變速器處于高擋時，可獲得六、七、八、九、十前進擋和倒擋。

德國ZF公司生產的9S109組合式變速器，有9個前進擋，主變速器有5個前進擋，副變速器為行星齒輪系傳動結構。當副變速器中的同步器接合套與固定外齒圈接合時，行星齒輪內齒圈被固定而不能轉動，則副變速器掛入低擋，此時將主變速器分別掛入5個不同擋位可得到組合式變速器5個較大的傳動比。當使接合套與副變速器高擋齒圈接合時，行星齒輪軸、輸出軸、行星齒輪內齒圈和副變速器輸入軸齒輪固定在一起而同步旋轉，則副變速器掛入高擋，主變速器的5個擋位傳動比即分別等于組合式變速器5個較小的傳動比。由于有兩個傳動比數值很接近，故省掉一個傳動比，組成9擋變速器。變速器的操縱系統由旋轉軸遠距離操縱或直接操縱，副變速器由壓縮空氣自動換擋，爬行擋和倒擋用嚙合套換擋，其他擋用同步器換擋。

4）手動變速器換擋裝置

手動變速器的換擋裝置常見的有直接滑動齒輪式、接合套式和同步器式3種結構型式，目前同步器式換擋裝置被普遍使用。變速器換擋裝置除應能保證順利地掛擋和退擋外，在結構上還必須保證在汽車行駛過程中，當變速器換入某一擋位后不會出現自動脫擋現象。常見的防止自動脫擋的結構有齒端倒斜面式和減薄齒式兩種。

（1）直接滑動齒輪式換擋裝置。直接滑動齒輪式換擋裝置用于直齒輪傳動的擋位，換擋齒輪與軸通過花鍵相連接，常用于一擋、倒擋。

（2）接合套式換擋裝置。接合套式換擋裝置用在斜齒輪傳動的擋位。當欲掛某一擋時，撥動接合套使之與花鍵轂及接合齒圈同時嚙合，即掛入該擋。接合套式換擋裝置由于其接合齒短，換擋時撥叉移動量小，故操作較輕便，且換擋承受沖擊的面積增加，使換擋時沖擊力減小，換擋元件的壽命增長。下面以某五擋變速器中四擋和五擋相互轉換的接合套式換擋裝置為例介紹換擋裝置工作過程，如圖3.6所示。它是通過操縱機構軸向移動套在花鍵轂4上的接合套3，使其內齒圈與齒輪5或齒輪2端面上的外接合齒圈嚙合，從而獲得五擋或四擋。

①從低速擋（四擋）換入高速擋（五擋）。變速器在低速擋工作時，接合套3與齒輪2上的接合齒圈嚙合，二者嚙合的圓周速度ω2=ω3，如圖3.6所示。若從此低速擋換入高速擋，駕駛員應先踩下離合器踏板使離合器分離，接著采用變速操縱機構將接合套右移，使其處在空擋位置。當接合套3與齒輪2上的接合齒圈剛剛脫離嚙合時，視ω3與ω2相等。由于齒輪2的轉速小于齒輪5的轉速，所以圓周速度ω2＜ω5，即由低速擋換入空擋的瞬間，ω3＜ω5。為使輪齒免受沖擊，此時不應立即將接合套右移至與齒輪5上的接合齒圈嚙合而掛上高速擋，即讓空擋短時保留。此時，因離合器分離而使變速器第一軸上傳動件與發動機中斷了動力傳遞，加上與第二軸相比，第一軸乃至相關傳動件轉動慣量很小，所以ω5下降較快；接合套通過花鍵轂和第二軸直至與整個車輛聯系在一起，轉動慣量很大，所以ω3下降很慢，如圖3.7（a）所示。因ω5和ω3下降速率不等，隨著空擋停留時間的推移，ω5和ω3終將在t0時刻達到相等，此交點即為自然同步狀態。此時通過操縱機構將接合套3右移至與齒輪5上的接合齒圈嚙合而掛入高速擋，則不會產生輪齒間沖擊。因此，由低速擋換入高速擋時，駕駛員把握最佳時機非常重要。

②從高速擋（五擋）換入低速擋（四擋）。變速器在高速擋工作時，接合套3與齒輪5上的接合齒圈嚙合，如圖3.6所示。參照低速擋換高速擋的分析，無論是高速擋工作時，還是高速擋換入空擋的瞬間，接合套3與齒輪5上的接合齒圈的圓周速度均相等，即ω5=ω3；又因ω5=ω2，所以ω3=ω2，如圖3.7（b）所示。此時同樣不宜立刻由空擋換入低速擋。但在空擋停留時，由于ω2下降速度比ω3快，不可能出現ω3=ω2的情況，且空擋停留時間愈長，ω3與ω2的差距愈大，根本不可能達到自然同步狀態，表明在任何時刻換擋都會產生沖擊。對此，駕駛員應采用“兩腳離合器”的換擋步驟。即第一次踩下離合器踏板，切斷發動機動力，將高速擋換入空擋；接著松開離合器踏板，接合動力并踩下油門加油，使發動機轉速提高時，齒輪2及其接合齒圈的轉速相應得以提高，直至ω2＞ω3。至此再踩下離合器踏板切斷動力，迫使ω2迅速下降至ω2=ω3，與此對應的時刻t′o，即是由空擋換入低速擋的最佳時機，如圖3.7（b）所示。此時通過操縱機構將接合套3左移至與齒輪2上的接合齒圈嚙合而掛入低速擋，不會產生輪齒間沖擊。由高速擋換入低速擋時，駕駛員把握最佳時機更為關鍵。

接合套式換擋裝置換擋操作方法同樣適用于滑移齒輪式換擋裝置。但受駕駛經驗及其他因素的影響，要求在很短的時間內迅速準確地實施完成所需的換擋，要靠相當熟練的操作技能，使駕駛員勞動強度增大，并且在實際中完全做到無沖擊換擋是很困難的。因此，采用同步器換擋裝置已成為越來越廣泛應用的先進技術。

（3）同步器式換擋裝置

同步器式換擋裝置是在接合套式換擋裝置的基礎上又加裝了同步元件而構成的一種換擋裝置，簡稱同步器。同步器是對接合套換擋裝置的繼承與發展，同步器保證在換擋時使接合套與待嚙合齒圈的圓周速度迅速相等，縮短變速器換擋時間，并防止二者在同步之前進入嚙合，從而可消除換擋時的沖擊。

同步器有常壓式、慣性式和自行增力式等種類。這里僅介紹目前廣泛采用的慣性式同步器。慣性式同步器是依靠摩擦作用實現同步的，在其上面設有專設機構保證接合套與待接合的花鍵齒圈在達到同步之前不可能接觸，從而避免了齒間沖擊。慣性式同步器按結構又分為鎖環式和鎖銷式兩種，轎車、輕型和中型貨車的變速器廣泛采用了鎖環式慣性同步器。

①鎖環式慣性同步器?，F以解放CA1091中型貨車變速器中的五、六擋同步器為例，介紹其主要結構和工作原理。

鎖環式同步器主要由接合套7、花鍵轂15、鎖環4和8、滑塊5、定位銷6和彈簧16等組成，如圖3.8所示?；ㄦI轂15用內花鍵套裝在第二軸外花鍵上，用墊圈、卡環軸向定位。花鍵轂15兩端與接合齒圈3和9之間各有一個青銅制成的鎖環4和8。鎖環上有短花鍵齒圈套，其花鍵齒的尺寸和齒數與花鍵轂、接合齒圈3和9的外花鍵齒均相同。兩個接合齒圈和鎖環上的花鍵齒靠近接合套7的一端都有倒角，與接合套齒端的倒角相同。鎖環有內錐面，與接合齒圈3和9的外錐面錐角相同。在鎖環內錐面上制有細密的螺紋，當錐面接觸后，它能及時破壞油膜，增加錐面間的摩擦力。鎖環內錐面摩擦副稱為摩擦件，外沿帶倒角的齒圈是鎖止件，鎖環上還有3個均布的缺口。3個滑塊5分別裝在花鍵轂15上3個均布的軸向槽內，沿槽可以軸向移動。滑塊被兩個彈簧圈的徑向力壓向接合套，滑塊中部的凸起部位壓嵌在接合套中部的環槽內?；瑝K和彈簧是推動件?；瑝K兩端伸入鎖環的缺口中，滑塊窄，缺口寬，兩者之差等于鎖環的花鍵齒寬。鎖環相對滑塊順轉或逆轉都只能轉動半個齒寬，且只有當滑塊位于鎖環缺口的中央時，接合套與鎖環才能接合。

下面以由低擋（五擋）換入高擋（六擋）為例介紹同步器的工作過程，如圖3.9所示。

當接合套剛從五擋換入空擋時，它與滑塊均處于中間位置，并靠定位銷定位，如圖3.9（a）所示，此時鎖環與接合齒圈之間的配合錐面并不接觸，即鎖環具有軸向自由度。由于鎖環上凸起的一側與花鍵轂上通槽的一側相互靠合，故花鍵轂推動鎖環同步旋轉?？梢?，與第二軸相關的花鍵轂及鎖環、接合套，與第一軸相關的六擋接合齒圈，均在自身及其一系列運動件的慣性作用下，繼續按原方向旋轉。設接合齒圈、鎖環和接合套的轉速分別為n1、n2和n3，此時n2=n3, n1＞n3，則n1＞n2。

力矩形成與鎖止過程：若要掛入高擋（六擋），必須通過變速器操縱機構將接合套向左撥動，同時通過定位銷帶動滑塊向左移動。當滑塊左端面與鎖環缺口端面接觸時，繼而推動鎖環移向接合齒圈，促使具有轉速差的兩錐面一經接觸便產生摩擦力矩Mf即是慣性力矩。此時接合齒圈通過Mf帶動鎖環相對于接合套和花鍵轂超前轉過一個角度，直至鎖環凸起與花鍵轂通槽的另一側接觸時，鎖環又開始與花鍵轂和接合套同步旋轉。同時，接合套的齒與鎖環的齒相互錯開約半個齒厚，從而使接合套齒端倒角和鎖環齒端倒角正好相互抵觸，導致接合套不能繼續向左移動進入嚙合。

如要接合齒圈與鎖環齒圈實現接合，必須要求鎖環相對接合套后退一定角度。由于駕駛員始終對接合套施加了向左的軸向推力F1，致使作用在鎖環倒角面上的法向力FN產生了切向分力F2，如圖3.9（b）左上方受力圖所示。F2形成了使鎖環相對接合套向后倒轉的撥環力矩Mb。由于F1使鎖環與接合齒圈配合錐面持續壓緊，Mf迫使接合齒圈迅速減速，以盡快與鎖環同步。因接合齒圈作減速旋轉，根據慣性原理，所產生的慣性力矩的方向與旋轉方向相同，且通過摩擦錐面作用在鎖環上，阻礙鎖環相對接合套向后倒轉。

由此可見，接合齒圈與鎖環以及接合套在未到同步之前，兩個方向相反的力矩作用在鎖環上，即撥環力矩Mb和慣性力矩Mf。若Mb＞Mf，則鎖環即可相對接合套向后倒轉一定角度，以便接合套進入嚙合；若Mb＜Mf，則鎖環阻止接合套進入嚙合。正是因為待接合齒圈及與其聯系的一系列零件的慣性力矩的大小決定鎖環的鎖止作用，故稱其為慣性式同步器。

由于有一定的軸向推力F1，慣性力矩Mf的大小取決于接合齒圈與鎖環配合錐面錐角的大?。粨墉h力矩Mb的大小取決于鎖環和接合套齒端倒角即為鎖止角的大小。因此，進行同步器設計時，需要適當選擇錐角和鎖止角，以保證達到同步之前始終是Mf＞Mb。這樣，駕駛員施加在接合套上的軸向推力F1無論有多大，鎖環都能有效阻止接合套進入嚙合。

同步換擋：當駕駛員繼續對接合套施加軸向推力時，錐面間的摩擦力矩就會迅速使接合齒圈的轉速降到與鎖環的轉速相等，慣性力矩不復存在。但由于軸向推力F1的作用，兩摩擦錐面仍緊密結合，此時在撥環力矩Mb的作用下，鎖環連同接合齒圈及其所有零件一起相對于接合套向后倒轉一定角度，導致鎖環凸起轉到正對花鍵轂通槽中央，接合套與鎖環二者的花鍵齒不再抵觸，即鎖止現象消失。在駕駛員所施軸向推力的作用下，接合套克服彈簧阻力，壓下定位銷繼續左移，直至與鎖環花鍵齒圈完全嚙合，如圖3.9（c）所示。

此時，軸向推力F1不再作用于鎖環，則錐面間摩擦力矩隨之消失。而駕駛員還要持續向左撥移接合套，倘若又出現了接合套花鍵齒與接合齒圈花鍵齒抵觸的情況，如圖3.9（c）所示，則與上述分析類似，通過作用在接合齒圈花鍵齒端倒角面上的切向分力，使接合齒圈及其相聯系的零件相對接合套轉動一定角度，最終使接合套與接合齒圈完全嚙合，完成低擋向高擋的轉換，如圖3.9（d）所示。

②慣性鎖銷式同步器。慣性鎖銷式同步器由花鍵轂、接合齒圈、接合套、鎖銷、摩擦錐盤、定位鋼球及彈簧、定位銷、摩擦錐環等組成，如圖3.10所示?；ㄦI轂9通過內花鍵與第二軸7安裝在一起。花鍵轂9的兩側分別為四擋接合齒圈6和五擋接合齒圈1。接合套5的圓周上相間均布著鎖銷8和3個定位銷4，鎖銷及定位銷的兩端安裝著兩個帶外錐面的摩擦錐環3，與摩擦錐環3相配合的兩個帶內錐面的摩擦錐盤2，則以其內花鍵齒分別固裝在接合齒圈1和6上，可隨齒圈一起轉動。3個鎖銷8的兩端插入到兩錐環對應的孔中，并鉚接成一體，鎖銷的中部制有一段環槽，環槽的兩側和接合套上相應的銷孔的兩端都切有相同的倒角，即為鎖止角，3個鎖銷即通過此鎖止角對接和套產生鎖止作用。鎖銷兩端工作表面的直徑與接合套上的銷孔直徑相同，接合套可以沿其軸向滑動。3個定位銷4的作用是對接合套進行空擋定位，并可將作用于接合套的軸向推力傳給摩擦錐環。定位銷4的中間制有定位環槽，在接合套上的相應部位鉆有斜孔，孔內裝有定位鋼球10及彈簧11。當變速器處于空擋位置時，接合套5正好處于定位銷的中間位置，此時定位鋼球10便在彈簧11的作用下向外伸入到定位銷中部的定位環槽內，以保證接合套準確地處于空擋位置。定位銷兩端的銷桿部與接合套相應的銷孔之間為間隙配合，接合套可以沿定位銷軸向移動。兩個定位銷的兩端伸入到兩錐環3內側面相應的弧形淺坑中，但銷與錐環不相連，而與淺坑有一定的間隙，因此兩錐環及鎖銷可以在一定范圍內相對于接合套做周向轉動，兩個錐環3、3個鎖銷8、3個定位銷4和接合套5構成一個部件，然后通過接合套的內花鍵齒套在花鍵轂的外花鍵齒圈上。

在空擋位置時，接合套5被定位銷4和定位鋼球10限定在中間位置。當要掛入五擋時，駕駛員通過變速操縱機構向左撥動接合套，對接合套施加一軸向推力F，接合套5便通過定位鋼球10和定位銷4推動左側摩擦錐環3向左移動，使之與左側摩擦錐盤2相接觸。由于此時摩擦錐環3與錐盤2轉速不相等，所以兩者一經接觸，便在其摩擦錐面之間的摩擦力矩作用下使摩擦錐環3連同鎖銷8一起相對于接合套5轉過一個角度，使鎖銷與接合套相應銷孔的中心線相對偏移，于是鎖銷中部環槽偏向接合套上銷孔的一側，鎖銷中部環槽倒角便與接合套銷孔端倒角的錐面互相抵觸，從而使鎖銷產生鎖止作用，阻止接合套向左移動，見鎖銷放大圖，如圖3.10（c）所示。與鎖環式同步器一樣，在鎖止倒角上的切向分力形成一個撥環力矩而力圖使鎖銷及錐環倒轉，但在錐盤與錐環未達到同步前，由摩擦錐盤2及與其相聯系的旋轉零件的慣性力矩所形成的摩擦力矩總是大于撥環力矩，因而可以阻止接合套5與五擋接合齒圈1在同步之前進入嚙合。而只有達到同步后，慣性力矩消失，撥環力矩才可撥動鎖銷及摩擦錐環、錐盤和齒圈1等一起相對于接合套轉過一個角度，使鎖銷重新與接合套的銷孔對中，接合套便在軸向推力的作用下，壓下定位鋼球10而沿定位銷和鎖銷向左移動，與五擋接合齒圈1進入嚙合，即完成掛入五擋的換擋過程。

2．變速操縱機構

變速操縱機構保證駕駛員根據使用需要，將變速器換入所需的擋位。變速器操縱機構多為機械式，可分為直接操縱式和遠距離操縱式兩類。

1）直接操縱式變速操縱機構

直接操縱式變速操縱機構布置在駕駛員座位附近，多集裝于上蓋或變速器側面，結構簡單、操縱方便，駕駛員換擋“手感”明顯。這種操縱機構由變速桿、撥塊、撥叉、撥叉軸及鎖止裝置等組成，如圖3.11所示。變速桿3球節支承于變速器蓋頂部的球座內，球節上面用壓緊彈簧壓緊以消除間隙，球節上開有豎槽，固定于變速器蓋的銷釘伸入該槽內且為滑動配合，變速桿只能以球節為支點前后左右擺動但不能轉動。變速桿3下端球頭帶動叉形撥桿繞換擋軸4的軸線轉動，叉形撥桿下端球頭對準某一撥塊的豎槽，然后縱向移動，帶動撥叉軸及撥叉向前或向后移動，可實現換擋。撥塊及撥叉都以彈性銷固裝在相應的撥叉軸上，撥叉軸兩端支承于變速器蓋相應孔中，可軸向移動。

叉形撥桿下端球頭裝在撥塊7的凹槽中，當變速桿3帶動叉形撥桿向前或向后移動時，撥塊7帶動撥叉軸5和撥叉6就向前或向后移動，可換入所需的擋位。

要使操縱機構安全可靠地工作，設有鎖止裝置，其包括自鎖裝置、互鎖裝置和倒擋鎖裝置。

（1）自鎖裝置。自鎖裝置防止變速器自動換擋和自動脫擋。多數變速器的自鎖裝置由自鎖鋼球2和自鎖彈簧1組成，如圖3.12所示。

在變速器蓋6前端凸起部位鉆有3個深孔，位于3根撥叉軸3的上方。每根撥叉軸對著自鎖鋼球2的一面有3個凹槽，槽的深度小于鋼球半徑，中間的凹槽為空擋定位，中間凹槽至兩側凹槽的距離等于滑動齒輪或接合套由空擋換入相應擋位的距離，保證全齒長嚙合。自鎖鋼球被自鎖彈簧壓入撥叉軸的相應凹槽內起到鎖止擋位的作用，防止自動換擋和自動脫擋。換擋時，駕駛員施加于撥叉軸上的軸向力克服自鎖彈簧與自鎖鋼球的自鎖力時，自鎖鋼球便克服自鎖彈簧的預壓力而升起，撥叉軸移動，當鋼球與另一凹槽處對正時，鋼球又被壓入凹槽內。

（2）互鎖裝置?；ユi裝置保證變速器不會同時換入兩個擋，避免產生運動干涉?；ユi裝置有鎖球式和鎖銷式兩種，常用的是鎖球式，如圖3.13所示。

在3根撥叉軸所處的平面且垂直于撥叉軸的橫向孔道內，裝有互鎖鋼球4和6?；ユi鋼球對著每根撥叉軸的側面上都制有一個凹槽且深度相等。中間撥叉軸的兩側各有一個凹槽，任一撥叉軸處于空擋位置時，其側面凹槽正好對準互鎖鋼球。兩個鋼球直徑之和等于相鄰兩撥叉軸圓柱表面之間的距離加上一個凹槽的深度。中間撥叉軸上兩個側面之間有通孔，孔中有一根橫向移動的頂銷5，頂銷的長度等于撥叉軸的直徑減去一個凹槽的深度。

當變速器處于空擋位置時，所有撥叉軸的側面凹槽同鋼球、頂銷都在同一直線上。在移動中間撥叉軸2時，如圖3.13（a）所示，撥叉軸2兩側的鋼球從其側面凹槽中被擠出，兩側面外鋼球4、6分別嵌入撥叉軸1和3的側面凹槽中，將撥叉軸1和3鎖止在空擋位置。若要移動撥叉軸3，如圖3.13（b）所示，必須先將撥叉軸2退回至空擋位置，撥叉軸3移動時鋼球4從凹槽擠出，通過頂銷5推動另一側兩個鋼球移動，撥叉軸1、2均被鎖止在空擋位置上。撥叉軸1工作情況與上述相同，如圖3.13（c）所示。

從上述互鎖裝置工作情況可知，當一根撥叉軸移動的同時，另外撥叉軸均被鎖止。鎖銷式互鎖裝置用一個鎖銷代替上述兩個互鎖鋼球，當某一撥叉軸移動時，鎖銷鎖止與之相鄰的撥叉軸，即可防止同時換入兩個擋。

三擋變速器操縱機構有兩根撥叉軸，將自鎖和互鎖裝置合二為一，如圖3.14所示。

兩根空心鎖銷2內裝有自鎖彈簧3，在圖3.14示位置時是空擋位置，兩鎖銷內端面的距離a等于槽深b，使之不可能同時撥動兩根撥叉軸。自鎖彈簧3的預壓力和空心鎖銷對撥叉軸起到自鎖作用。

不論采用哪種互鎖裝置，其工作原理都是每一次只能移動一根撥叉軸，其余撥叉軸均在空擋位置不動。

（3）倒擋鎖。倒擋鎖提醒駕駛員防止誤掛倒擋，提高安全性。必須對變速桿施加較大的力，才能掛入倒擋。設有倒擋鎖，可防止誤換倒擋，避免損壞零件或發生安全事故。多數汽車變速器采用結構簡單的彈簧鎖銷式倒擋鎖，如圖3.15所示。

它由一個倒擋撥塊2、鎖銷4和彈簧3等組成。鎖銷4桿部裝有彈簧3，桿部的螺母可調整彈簧3的預壓力和鎖銷的長度。要換倒擋時，需用較大的力向一側擺動變速桿1，推動倒擋鎖銷4壓縮彈簧后，變速桿1下端進入倒擋撥塊2才能實現換擋。只要換入倒擋，其撥叉軸就接通裝在變速器殼上的電開關，控制報警器響或汽車儀表盤上有倒擋指示燈閃亮，有效地防止誤掛倒擋。

2）遠距離操縱式變速操縱機構

有些轎車和輕型貨車將變速桿布置在轉向盤下方的轉向管柱上或距變速器較遠，它們便不能直接用變速桿撥動撥叉換擋，而必須通過機械桿件作遠距離操縱。通常在變速桿與撥塊之間增加若干傳動件，組成遠距離操縱機構，如圖3.16所示為較簡單的一種，其變速桿2在駕駛員側旁穿過駕駛室底板安裝在車架上，中間通過傳動桿4來操縱變速器實現換擋。

對于重型貨車組合式變速器的操縱，副變速器多用預選氣動換擋，常見的有“機械—氣動”和“電控—氣動”兩種方式。

下面介紹一下預選機械—氣動式操縱機構，如圖3.17所示。預選開關6位于駕駛員座椅右側，駕駛員拉出手柄，即預選了高速擋。只有在踩下離合器踏板1時，控制閥5活塞左移，氣路才能接通。于是壓縮空氣自儲氣罐9經控制閥和預選開關，沿氣管10進入換擋氣缸11右腔，推動活塞并帶動副變速器的變速叉軸左移而換入高速擋。同時氣缸左腔的空氣沿氣管8通過預選開關排到大氣中。若將預選開關6推入到底，則預選了低速擋。當踩下離合器踏板時，壓縮空氣便沿氣管7進入換擋氣缸左腔，因而活塞右移而換入低速擋。

采用這種預選機構，只有在踩下離合器踏板時，才能使副變速器換擋。這樣做的目的是，保證在換擋前分離離合器，以減小副變速器輸入端零件的轉動慣量，便于換擋。副變速器可單獨換擋也可與主變速器同時換擋。