变速器类型与特点概述

王浩坤 四川省遂宁中学外国语实验学校

一、变速器的基本原理及发展历史

变速器是用来改变来自发动机的转速和转矩的机构，它能固定或分档改变输出轴和输入轴传动比[1]。它被广泛地运用于日常生活中，最常见的汽车上就有它身影，既可以说汽车造就了变速器，也可以说变速器造就了汽车。以最简单的变速器为例，如图1所示，动力由输入轴传入，通过不同尺寸的齿轮啮合，达到改变转速与扭矩的效果，再由输出轴传出，传至差速器。第一辆汽车是在1886年由卡尔·本茨发明的，虽然是三轮汽车，但却造出了现代汽车的雏形，那时的发动机直接与传动轴相连，进而将动力传到车轮，由于过快的转速使得车速难以控制，在此高速情况下对车轮制动，传动轴的动力与刹车产生的摩擦力相互作用，强大的转矩使传动轴和发动机会受到不同程度的损坏，传动轴重则直接断裂，轻则金属内部损伤，发动机的气缸重则爆裂，轻则活塞内部拉缸，便会造成人员伤亡，在诸多方面的限制下内燃机没有得到长足的发展，人们无法制造出大马力的内燃机。基于这样的情况，变速器就应运而生了。

Figure 1 变速器原理

二、MT-手动变速器

在1889年，第一台变速器问世，这是由法国标致公司研发而成的，将其运用于汽车的传动方面，其原理是通过不同尺寸的齿轮啮合达到不同的变速效果，但实际应用中，要想把一个很高的速度变成一个能够使汽车行驶的速度，只使用两个齿轮是难以办到的，发动机的一般转速能达到3000转每分钟，车轮一般是300转每分钟，而要做出10：1的齿轮在体积上是无法在汽车上装配的，为此单一的齿轮结构是不满足汽车的变速，多齿轮的组合才能满足汽车的变速。

Figure 2 MT-手动变速器

最早开发的MT-手动变速器在一定程度上促进了汽车产业的不断发展，这种有级式变速器需要用手手拨动变速杆才能改变变速器内齿轮啮合的位置，从而改变传动比，达到变速的目的[2]，如图2所示。

MT-手动变速器的优点是：1、结构简单，常用齿轮变速器的档数为四到五档，还会有倒挡的加入。2、性能可靠，不同的档数改变输出轴的传动比，让驾驶者更具有驾驶乐趣3、制造和维护成本低廉，由于其简单的结构，使其装配与拆解非常方便，而当齿轮磨损产生变速器异响、漏油与跳档时，只需检查相应的齿轮是否啮合再进行更换。4、传动效率高，齿轮采取硬链接的方式使其高度啮合，从而具有更高的效率，也更加省油。但其缺点也很明显：当行驶在拥堵的城市道路上，驾驶者会疲于频繁地拨动变速杆，高强度地变速使变速器不断发热，在一定程度上会造成齿轮受损。MT-手动变速器虽然已有没落之势，但是作为元老级别的变速器却推动了汽车的发展，之后各种各样的变速器基于MT不断革新。

三、AT-液力变速器

在1908年，AT-液力自动变速器随后产生，福特T型汽车应用了一种后驱行星齿轮转动的3速变速器，而此时的液力变速器需要用脚踏板完成，真正定型的时间是在1940年，由美国通用公司研发[3]，由液力变扭器、行星齿轮和液压操作系统组成，液力变速器不用离合器[4]，只有低速、高速与倒车三个档位。

Figure 3 AT-液力变速器

AT-液力变速器，优点是1、驾驶方便，相比与AT来说驾驶者可以聚精会神地驾驶，不用拨动变速杆，减少事故发生率。2、故障率低，由于主要是受液压的控制，并且有变速箱油的保护，变速器中齿轮的磨损大大降低。缺点1、传动效率不高，由于液力变速器有一定的延迟性，机械无法及时对路况做出准确应答，若在长时间的道路堵塞以及低速运行时，车辆的起起停停会增加油耗。2、维修困难，液压系统与行星齿轮本来在结构上就极为复杂，维修时候就更难判断哪一出出了问题，也会造成维修时间的延长。但很多问题随着AT技术的不断进步，上面的问题已得到解决，现在液力变速器已达到8AT，因其动力的平滑地输出而带来的良好驾驶感受，AT被用于豪华型轿车上，不用于大型货车，推动了后来轿车行业的发展。

四、 CAT-无级变速器

到了20世纪70年代以后，机械式无级变速器在日本获得了迅速和广泛的发展[5]，CVT采用传动带和工作直径可变的主动轮和从动轮相配合来传递动力，实现了传动比的连续改变[6]，与一般的齿轮式变速器最大的区别是没有复杂笨重的齿轮组合，而是用了传动带与传动轮相连接，进而找到与发动机的最佳匹配点。

Figure 4 CAT-无级变速器

CAT-无级变速器，优点是1、结构简单，CVT的结构小，零件少，大体上为一条钢带两个传动，便可进行变速。2、生产成本低，但技术要求高，之前的CVT受限于材料与工艺方面的难题，但批量生产便会降低成本，减少材料的使用。3、更加省油，无级变速器能与发动机达到最佳配合，从而降低油耗，减少气体排放。缺点1、钢带寿命短，虽然材料的问题有所解决，但是由于处于高速旋转状态的钢带会有一定的磨损，要适当时候对钢带检查。2、传动效率低，带传动是柔性传动，并且钢带的磨损会使其打滑，传动效率会难以避免地逐渐降低。CVT的研发与应用不超过40年，符合当前低碳生活，创造节约型生活的要求，无级变速器的低耗油量受到了市场的青睐，而将其运用于混合动力汽车的想法也受到重视，CVT会在未来会逐渐占领汽车的市场份额。

五、DCT-双离合变速器

到了20世纪90年代，德国大众公司生产出了适用于大批量生产和应用的主流车型双离合变速器DCT[7]，即还原了喜爱手动挡驾驶者的乐趣，又解决了MT-手动变速器换挡带来的顿挫感。DCT-双离合变速器，也就是使用了两套手动变速器，一个负责奇数档，一个负责偶数档，当挂入某一档位时，下一档位已经预选，保证了换挡的平滑性。双离合变速器主要分成两种，第一种是湿式双离合变速器WDCT，将离合器片泡在油槽中，通过油来对离合器片降温，第二种是干式双离合变速器，需要通风散热。

Figure 5 DCT-双离合变速器

DCT-双离合变速器，优点1、快速换挡，与MT相比来说换挡更快，换挡时无停顿，流畅地换挡。2、更加省油，由于其快速的换挡，速度逐渐加快，让动力一直处于传输状态。缺点1、技术不成熟，早些年大众公司召回了部分DCT汽车，并重新检修，新技术的使用会存在一定的危险。2、造价高，双离合变速器的结构复杂，无论是销售还是维修，费用都不是小数目，要得到广泛普及还是需要一定的时间。

六、总结与展望

纵观这变速器一百来年的发展，随着汽车的不断完善，变速器也在不断发展，从一开始的MT-手动变速器，到后来的AT-液力变速器，以及CAT-无级变速器，再到DCT-双离合变速器，都是从手动到自动，从最开始只具有前进档与倒退档发展到现在的多档，满足了不同人们对驾驶不同层次的需求，充分展示了人们对驾驶的理解，从最开始驾驶只是为了代步，到现在感受驾驶带来的享受，从最简单的齿轮再到复杂的啮合，都充分体现了人们在变速器的发展史上留下的足迹，而这足迹将会走到遥远的未来，将来的变速器会在当前的基础上进行简单化，现在的CAT-无级变速器就是一个明显的例子，它的原理与结构相比与之前的变速器更加简单化，它能与发动机达到最佳的适配点，降低了油耗，节能减排，但钢带的加入让加工材料与应用技术变得越发复杂。随着汽车越来越自动化，变速器也会变得越来越自动化，从人们根据实际情况去判断，手动改变变速器的扭矩，再到将来变速器通过仪器测出不同路况的数据，自行选择用什么样的标准来使汽车在该路况上达到最佳化，使动力最大限度地使用，可以燃油最大化，建设以节约型经济的友好社会，让驾驶者与乘客有更好的驾驶体验与乘坐体验。变速器经过了又少档位再到多档位的发展，自动化的变速器会在一定程度上减少变速器的档位，基于此未来的变速器会发生翻天覆地的变化，结构会变得更简便，一个齿轮可能会产生不同的扭矩，在汽车拐弯或者上下坡时，变速器对不同行驶状态的车轮速度的分配，让汽车行驶更稳定。

[1]俢作刚，葛大勇.变速器齿轮齿部精度控制[J].科技风, 2017(6):182.

[2]张海涛, 王恰锋, 刘晓光. 浅谈自动变速器发展简史[J].科技信息:学术研究,2008(4):196+198.

[3]黄伟.轿车新型无内环扁平液力变矩器研究[D].吉林大学, 2011.

[4]苏强.浅谈AT变速器换档冲击的维修[J].科研,2016(10):00001.

[5]邢伟.机械式无级变速器技术综述[J]. 科技尚品, 2017(5):176.

[6]白木,周洁.无级变速器--汽车制造的重大技术革新[J].北京汽车, 2004(1):23-26.

[7]江灵智. DCT双离合器自动变速器技术运用和发展趋势[J].赤子旬刊, 2013(7).