汽車手動換擋變速演示臺的研制

劉 清,桂 偉,陳曉航

（武漢商學院,武漢 430056）

汽車手動換擋變速演示臺的研制

劉 清,桂 偉,陳曉航

（武漢商學院,武漢 430056）

介紹了一種自主研發的汽車手動三級換擋變速演示教具（已獲實用新型專利）。為了使學生了解汽車手動操縱式齒輪變速器的基本組成及工作原理，以三級換檔變速為例，展示操縱機構動作下變速器是如何實現不同傳動比的輸出。通過機械零件設計及電路設計演示了增速、減速、空擋時的輸入及輸出轉速，直觀展示了汽車手動換擋變速的實現。

手動換擋；變速器；演示臺

0 引言

為了滿足汽車起步、爬坡、高速行駛等駕駛的需要，變速器應運而生。它能在發動機和車輪之間產生不同的變速比，使汽車發動機工作在其最佳的動力性能狀態下。汽車變速器按照操控方式可分為手動變速器和自動變速器兩種。手動變速器MT，主要由齒輪和軸組成，撥動操縱桿改變箱內齒輪的嚙合位置，從而改變傳動比，達到變速的目的；而自動變速器AT是由液力變扭器、行星齒輪和液壓操縱系統組成，通過液力傳遞和齒輪組合的方式來達到變速變矩。為了使學生直觀了解汽車手動操縱式齒輪變速器的基本組成及工作原理，特研發此教具，展示操縱機構動作下變速器是如何實現不同傳動比的輸出。

1 設計方案

汽車手動變速箱的結構已很經典，制造技術也相當成熟，但是如何設計出一種教學上的汽車手動換擋變速演示儀，卻有很大的難度。手動變速器現有的教學模型主要有三類，一類是塑料模型采取仿真的方式，實現系統的工作過程展示；第二類是采用電動裝置程序化控制的演示教板；第三類是汽車手動變速器的實物解剖教具。塑料透明教具重量輕，便于攜帶，但各零部件相對獨立，仿真的精細化程度不高，質量差，教學效果不佳。因此，演示臺的設計要達到以下目的：生動實現專業課程的教學，全面展示汽車手動換擋變速器的結構與工作原理，為學生提供操作性強的實踐項目。從而增強課堂教學質量，培養學生動手能力，促進專業教師業務水平的提升。

1.1 工作原理

發動機通過曲軸把動力傳遞給離合器,離合器傳遞給變速器，變速箱傳遞給傳動軸連接到車輪，提供車輪轉動的動力。手動變速器，又稱手動擋，由變速傳動機構和變速操縱機構兩大部分組成。變速傳動機構主要由齒輪組、輸入軸、輸出軸、中間軸、同步器、軸承和變速器殼等組成。它的工作原理就是通過切換不同的齒輪組，來實現傳動比的變換。離合器傳遞來的動力通過動力輸入軸直接傳遞給齒輪組，齒輪組是由齒數不同的齒輪構成的，駕駛中的換擋就是使不同傳動比的齒輪嚙合，達到完全不同的動力輸出效果。圖1是一個三軸三擋變速器的結構模型。

動力輸入軸通過離合器與發動機相連實現動力的輸入，通過一對常嚙合的齒輪，輸入軸的旋轉帶動了中間軸的旋轉。中間軸上設置了兩個不同齒數的齒輪，分別與兩個從動齒輪嚙合，獲得兩個擋位的輸出軸輸出，最后通過差速器來驅動汽車。

為了保證順利地換擋，結構上設置一個重要的部件——同步器。同步器就是在結合套和齒輪組上布置的摩擦片，但它的摩擦面是錐形的。這組摩擦片的作用是在直齒和圓盤的立齒相接觸以前，提前進行摩擦，使轉速較大的一方將能量傳遞給轉速較小的一方，帶動其提升轉速，達到與高轉速的一方轉速同步，這樣不僅可以保證正常換擋，還能起到緩沖的作用。中間軸上的兩個齒輪與動力輸出軸上相嚙合的兩個齒輪是隨著發動機動力一起轉動的，如果沒有同步器的接合，兩個齒輪只能在動力輸出軸上空轉，相當于變速器掛了空擋。撥動換擋叉，同步器和齒輪接合時，發動機的動力就會通過中間軸傳遞到輸出軸上，實現動力的輸出，而未被接合的齒輪作自由旋轉，不對花鍵軸產生影響。

1.2 演示臺結構設計

根據汽車手動操縱式齒輪變速器的基本組成及工作原理，演示臺設計成兩軸三擋變速器，主動軸與一低速電機直連，模擬發動機的動力輸入，三擋變速分別為增速、減速與空擋。演示臺的創新之處就是通過操縱組件的動作，能直觀顯示主動軸及從動軸的轉速。

三級換擋變速演示臺由操縱組件、變速傳動組件和轉速數顯三部分組成，其中操縱組件由搖桿手柄、搖桿接頭、撥叉、撥叉軸、自鎖裝置組成，變速傳動組件由齒輪、支承軸、同步器、接合齒、活動齒套所組成。圖2為汽車三級手動換擋變速演示臺的總體結構設計。

在主動軸和從動軸兩端配有彈性聯軸器、電機（含正反轉）和光電角位移傳感器，光電角位移傳感器所測得的轉速能實現數顯，上側顯示的是主動軸轉速n0，左右兩側分別顯示三級擋位下從動軸轉速n1和n2。

為了保證變速器能夠準確無誤地掛擋，并安全、可靠地工作，特設置了自鎖裝置，含自鎖彈簧與自鎖鋼珠。當需要換擋時，通過搖桿手柄對撥叉軸施加一定的軸向力，克服彈簧的壓力而將自鎖鋼珠從撥叉軸凹槽中擠出并推回孔中，撥叉軸便可滑過鋼球進行軸向移動，并帶動撥叉及相應的活動齒套軸向移動，如圖3所示。

根據演示臺的尺寸大小，設計減速擋主從動齒輪與增速擋主從動齒輪，模數均取為1.5mm。減速擋齒輪齒數分別為Z1=38，Z2=46，增速擋齒輪齒數分別為Z1=43，Z2=41。由于輸入軸轉速較低，齒輪均設計成圓柱直齒齒輪。

2 演示臺的功能實現

傳動組件是變速器的主體，由兩對相互嚙合的齒輪、同步器及其支承軸組成，殼體選用透明材料制作，使學員能清晰掌握零件組成及其連接方式，并觀察其不同的運動狀態。主動軸由電機帶動旋轉，中部設計了主動軸的固定轂與活動套齒相配合，減速、增速擋位的主動齒輪分別與接合齒固聯，同步環與接合齒采用錐形螺紋的摩擦連接；操縱組件含搖桿手柄、搖桿接頭、撥叉等構件，通過左中右移動撥叉，分別實現兩對不同齒數齒輪的嚙合，得到三種不同的從動軸轉速輸出，從而實現減速、空擋、增速換擋變速；轉速的數顯部分能分別實時顯示主動軸及兩級從動軸的轉速大小和旋轉方向，直觀展現手動操縱式換擋變速的結果。

接通電源，電機低速旋轉，操縱搖桿手柄處于中間位置，為空擋狀態時，電機帶動主動軸旋轉，n0顯示為電機的轉速（9.7rad/ m），而主動齒輪空轉無動力輸出，從動軸的轉速為零；向左撥動搖桿手柄，撥叉向右移動，使得主動軸上齒數為38的小齒輪與從動軸上齒數為46的大齒輪進行嚙合傳動，電機動力經主動軸、活動齒套、接合齒、主動齒輪、從動齒輪至從動軸輸出，n2顯示轉速為8.1 rad/m，此為減速擋；向右撥動搖桿手柄，撥叉向左移動，同理使得主動軸上齒數為43的大齒輪與從動軸上齒數為41的小齒輪進行嚙合傳動，n1顯示轉速為10 rad/m，此為增速擋。

3 結語

目前我國汽車相關專業在變速器的教學過程中，多采用實物解剖的方法向學生傳授內部結構，但無法實現換擋變速的動態過程演示，為了激發學習興趣，增強教學效果，特研發這一教具，直觀展示手動變速器的基本組成及工作原理。

演示臺創新性地實現了變速器傳動機構與換擋操縱機構之間的有效連接，顯示不同擋位下主動軸及從動軸的轉速大小，學生能清晰掌握零件組成及其連接方式，觀察其不同的運動狀態，并能實現零部件的拆裝，對于汽車相關專業學員的實踐教學具有較強的推廣意義。

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湖北省教育廳科學技術研究計劃指導性項目：B2015390《汽車手動三級換擋變速演示臺的研制》

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.229

劉清（1973-），女，福建人，副教授，研究方向：流體機械專業。