汽車手動(dòng)變速器六檔設(shè)置的必要性分析

王青剛

摘 要：手動(dòng)變速器是使用手撥動(dòng)變速桿改變變速器內(nèi)的齒輪嚙合位置，進(jìn)而改變傳動(dòng)比，改變發(fā)動(dòng)機(jī)傳到驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，完成原地起步、爬坡、轉(zhuǎn)彎、加速等功能。而六檔的設(shè)置不僅可以提升換擋和行駛的平順性、降低汽車的燃油消耗量、提升發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，還能夠更好地適應(yīng)現(xiàn)代城市道路的實(shí)際交通現(xiàn)狀和車主高速道路行駛的客觀愿望等，因此六檔（前進(jìn)擋）的設(shè)置就顯得尤為必要。

關(guān)鍵詞：手動(dòng)變速器 六檔 設(shè)計(jì)

The Necessity Analysis of Six-speed Setting of Automobile Manual Transmission

Wang Qinggang

Abstract：The manual transmission uses the shift lever to change the gear meshing position in the transmission， thereby changing the transmission ratio， changing the engine speed and torque transmitted to the driving wheels， and completing functions such as starting on the spot， climbing， turning， and accelerating. The setting of six gears can not only improve the smoothness of shifting and driving， reduce the fuel consumption of the car， and increase the service life of the engine， but also can better adapt to the actual traffic status of modern urban roads and the objective desire of the owner to drive on high-speed roads and so on. So the setting of sixth gear （forward gear） is particularly necessary.

Key words：manual transmission， six-speed， design

1 常見汽車五檔手動(dòng)變速器的類型和特點(diǎn)

手動(dòng)變速器（簡(jiǎn)稱MT）又稱機(jī)械式變速器，即必須用手撥動(dòng)變速桿（俗稱"擋把"）才能改變變速器內(nèi)的齒輪嚙合位置，改變傳動(dòng)比，用來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)傳到驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，在原地起步、爬坡、轉(zhuǎn)彎、加速等各種工況下，使汽車獲得不同的牽引力和速度，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在較為有利的工況范圍內(nèi)。

手動(dòng)變速器有很多優(yōu)點(diǎn)：可以給汽車駕駛愛好者帶來(lái)更多的操控快感;傳輸效率比自動(dòng)變速箱為高，在同排量發(fā)動(dòng)機(jī)條件下，比液力自動(dòng)變速器省油;構(gòu)造較簡(jiǎn)單，維修保養(yǎng)比自動(dòng)變速箱便宜、耐用程度比自動(dòng)變速箱好;工藝相對(duì)成熟，制造成本低，價(jià)格便宜;可靠性較高等。同樣手動(dòng)變速器也有一些缺點(diǎn)：換擋時(shí)需要同時(shí)控制離合器、換檔手柄和油門，使得駕駛員操作負(fù)擔(dān)大，特別對(duì)于新手，易造成駕駛員緊張，影響行車安全;控制離合器技術(shù)不純熟者常常在馬路上熄火，特別是上坡操作不當(dāng)?shù)脑捰袡C(jī)率把引擎跟變速箱弄壞;手動(dòng)變速器屬于純力學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)，故增加檔位必會(huì)造成體積和質(zhì)量的增加等。

手動(dòng)變速器由變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、變速器殼體、操縱機(jī)構(gòu)組成。變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可按前進(jìn)擋數(shù)或軸的形式不同分類。按照前進(jìn)擋數(shù)可以分為三檔、四檔、五檔、多檔變速器;按照軸的形式可以分為固定軸式（齒輪的旋轉(zhuǎn)軸線固定不動(dòng)）和旋轉(zhuǎn)軸式（齒輪的旋轉(zhuǎn)軸線也是轉(zhuǎn)動(dòng)的，如行星齒輪變速器），其中固定軸式手動(dòng)變速器可以根據(jù)軸數(shù)的不同，分為兩軸式、中間軸式、雙中間軸式、多中間軸式。

2 五擋手動(dòng)變速器使用性能設(shè)計(jì)的不足

2.1 換擋的平順性

換擋的平順性與同步器的嚙合關(guān)系密切，同步器是靠摩擦力矩的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪的同步嚙合，而摩擦力矩產(chǎn)生的沖擊力是換擋產(chǎn)生卡滯影響換擋的平順性的主要因素，摩擦力矩產(chǎn)生的沖擊力取決于手柄上的換擋沖量SL'，SL'=（SL是變速器從動(dòng)部分慣量，k為換擋器和變速器的總換擋杠桿比），其中K增大則換擋的的平順性增加，故5檔手動(dòng)變速器的換擋平順性低于6檔的手動(dòng)變速器。

2.2 動(dòng)力輸出設(shè)計(jì)

五檔手動(dòng)變速器的檔位設(shè)計(jì)大多數(shù)廠家設(shè)計(jì)都不一樣，大多情況是1檔位設(shè)計(jì)時(shí)速為0-20km/小時(shí)，2檔位設(shè)計(jì)時(shí)速20-30km/小時(shí)，3檔位設(shè)計(jì)時(shí)速為30-40km/小時(shí)，4檔位設(shè)計(jì)時(shí)速為40-50km/小時(shí)，5檔位設(shè)計(jì)時(shí)速為60km/小時(shí)以上，每個(gè)檔位設(shè)計(jì)均能夠滿足汽車各種工況和路況的普遍需要。但是，汽車在低速、中速、告訴時(shí)對(duì)動(dòng)力的輸出要求是不同的，低速行駛時(shí)要求輸出動(dòng)力大、尤其是起步時(shí)要求輸出扭矩要足夠大;中速行駛時(shí)輸出動(dòng)力較低速行駛時(shí)小，但也需要滿足各種路況對(duì)車輛行駛時(shí)的動(dòng)力要求;高速行駛是輸出動(dòng)力較小，主要是要保證足夠的行駛速度和安全，通常在高速行駛時(shí)速為60km/小時(shí)以上時(shí)，要保證車輛行駛速度主要依靠增加燃油供給量來(lái)實(shí)現(xiàn)。在高速公路行駛時(shí)對(duì)動(dòng)力的輸出的要求與普通路面也不相同。隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)越來(lái)越好，許多路面的質(zhì)量也越來(lái)越好，這就對(duì)汽車的動(dòng)力輸出與對(duì)時(shí)速輸出提出來(lái)新的的客觀需要。

2.3 高速行駛時(shí)的燃油消耗

五檔手動(dòng)變速器在高速公路行駛中，當(dāng)車速超過(guò)80km/小時(shí)時(shí)，只有通過(guò)加大油門增加燃油供給量來(lái)提高汽車的行駛速度，在120km/小時(shí)高速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速通常在3000rad/min以上，隨著車速的提升和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，燃油消耗也隨之大幅增加。

2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，往往增加了運(yùn)動(dòng)零部件的磨損，縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。而傳統(tǒng)的五檔手動(dòng)變速器在高速車速超過(guò)80km/小時(shí)時(shí)，只能通過(guò)增加燃油供給量來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而提升車速來(lái)滿足高速行駛的需要，這就使發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于3000rad/min以上的轉(zhuǎn)速，不僅增加了燃油消耗率，而且增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損，進(jìn)而縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。

3 六檔設(shè)置的必要性分析

3.1 六檔的檔位設(shè)計(jì)更符合現(xiàn)代道路交通的實(shí)際情況。

六檔的設(shè)計(jì)為1、2、3、4、5、6等六個(gè)前進(jìn)擋。其中1檔位設(shè)計(jì)時(shí)速為0-15km/小時(shí)，滿足車輛起步時(shí)并不需要過(guò)高的車速，動(dòng)力輸出是關(guān)鍵;2檔設(shè)計(jì)時(shí)速為15-30km/小時(shí)，主要滿足低速行駛的需要，如在城市車輛擁堵等情況下具有更好的操控性、平順性和經(jīng)濟(jì)性，還使司機(jī)不會(huì)因?yàn)轭l繁得2-3檔之間換擋而增加心里的煩躁，增強(qiáng)了道路行駛的安全性和處理事故發(fā)生的概率;3檔設(shè)計(jì)時(shí)速為30-50km/小時(shí)，滿足汽車中速小時(shí)的需要，目前許多城市路段的設(shè)計(jì)中存在限速40-50km/小時(shí)的規(guī)定，而將3檔設(shè)計(jì)在此范圍更符合現(xiàn)在城市道路的實(shí)際情況，根據(jù)人性化;4檔設(shè)計(jì)時(shí)速為5-70km/小時(shí)，滿足許多縣道、省道和過(guò)道路段60-70km/小時(shí)的限速規(guī)定，使駕駛員操控車輛簡(jiǎn)便而不繁瑣，有利于減少車輛超速違規(guī)給老百姓帶來(lái)的不便和壓力，也有利于交通事故和安全事故的減少;5檔設(shè)計(jì)時(shí)速為80-100km/小時(shí)，方便在高速道路行駛時(shí)的進(jìn)入和轉(zhuǎn)出，同時(shí)在非超車道行駛時(shí)保持必要合理的車速，增加了車輛行駛速度的可控性和安全性;六檔設(shè)計(jì)時(shí)速為100km/小時(shí)以上，具體上限由廠家根據(jù)道路交通法等合理設(shè)計(jì)。

3.2 六檔設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)有利于提高車輛的平順性和經(jīng)濟(jì)性

六檔的設(shè)計(jì)具有更好的操控性，更科學(xué)的轉(zhuǎn)速比和動(dòng)力輸出，提升了車輛換擋的平順性，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出的平順性，保證足夠的行駛速度和安全的同時(shí)，使車輛高速行駛時(shí)更具可控性，在提升車輛行駛速度時(shí)還可以通過(guò)六檔來(lái)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，不僅有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，也改善了發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)也更符合現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展因?yàn)榛A(chǔ)設(shè)施建設(shè)質(zhì)量的大幅提高，道路狀況已經(jīng)今非昔比，對(duì)汽車的現(xiàn)實(shí)需求也有利于六檔手動(dòng)變速器的推廣和普及。

4 六檔手動(dòng)變速器的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

1.根據(jù)變速器的檔位進(jìn)行傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算手動(dòng)變速器傳動(dòng)比i（i=n1/n2=z2/z1），改變變速器的扭矩輸出和轉(zhuǎn)速，滿足汽車正常行駛時(shí)對(duì)扭矩和行駛速度的需要，更好的好的適應(yīng)不同行駛要求時(shí)的扭矩輸出和轉(zhuǎn)速，使汽車始終保持著最佳的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，并滿足各種形式速度和扭矩的要求。

2.根據(jù)換擋過(guò)程中變速器齒輪的受力進(jìn)行齒輪模數(shù)、齒厚等參數(shù)的設(shè)計(jì)。

包括壓力角、齒寬、變位系數(shù)、節(jié)圓直徑、基圓直徑、分度圓直徑等，確保所有參數(shù)的精確度，滿足汽車行駛過(guò)程中變速器齒輪的強(qiáng)度和可靠性。換擋時(shí)其變速器的轉(zhuǎn)動(dòng)比會(huì)發(fā)生改變，變速器齒輪系統(tǒng)體積縮小是輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

3.根據(jù)變速器體積、重量等要求進(jìn)行齒輪材料的選擇

合理選擇齒輪與齒輪箱的材料，在強(qiáng)化齒輪可靠性的基礎(chǔ)上遵循輕量化設(shè)計(jì)理念，提高機(jī)械式變速器的可靠性?；诖耍梢詫C(jī)械式變速器齒輪體積之和最小作為輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，建立其于齒輪齒輪寬度、分度圓直徑的函數(shù)模型，并分析其有效性和適宜性。之后，基于變速器擋位傳動(dòng)比之間存在的關(guān)系，轉(zhuǎn)化出包含相關(guān)基本參數(shù)的函數(shù)。最后基于具體的約束條件對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)汽車變速器系統(tǒng)體積的縮小，同時(shí)滿足輕量化設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)對(duì)材料的要求。

5 結(jié)論

隨著現(xiàn)代社會(huì)的不斷向前發(fā)展，人們對(duì)汽車的需求也越來(lái)越理性，手變速器的后期使用成本低廉、維修保養(yǎng)方便、使用壽命長(zhǎng)、更具駕駛品味等獨(dú)特的魅力對(duì)有車一族的吸引力有增無(wú)減，因此六檔手動(dòng)變速器的推廣和普及必將在今后的手動(dòng)變速器中成為主流。

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