汽車手動變速器六檔設置的必要性分析

王青剛

摘 要：手動變速器是使用手撥動變速桿改變變速器內的齒輪嚙合位置，進而改變傳動比，改變發動機傳到驅動輪上的轉速和轉矩，完成原地起步、爬坡、轉彎、加速等功能。而六檔的設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、提升發動機的使用壽命，還能夠更好地適應現代城市道路的實際交通現狀和車主高速道路行駛的客觀愿望等，因此六檔（前進擋）的設置就顯得尤為必要。

關鍵詞：手動變速器 六檔 設計

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 常見汽車五檔手動變速器的類型和特點

手動變速器（簡稱MT）又稱機械式變速器，即必須用手撥動變速桿（俗稱"擋把"）才能改變變速器內的齒輪嚙合位置，改變傳動比，用來改變發動機傳到驅動輪上的轉速和轉矩，在原地起步、爬坡、轉彎、加速等各種工況下，使汽車獲得不同的牽引力和速度，同時使發動機工作在較為有利的工況范圍內。

手動變速器有很多優點：可以給汽車駕駛愛好者帶來更多的操控快感;傳輸效率比自動變速箱為高，在同排量發動機條件下，比液力自動變速器省油;構造較簡單，維修保養比自動變速箱便宜、耐用程度比自動變速箱好;工藝相對成熟，制造成本低，價格便宜;可靠性較高等。同樣手動變速器也有一些缺點：換擋時需要同時控制離合器、換檔手柄和油門，使得駕駛員操作負擔大，特別對于新手，易造成駕駛員緊張，影響行車安全;控制離合器技術不純熟者常常在馬路上熄火，特別是上坡操作不當的話有機率把引擎跟變速箱弄壞;手動變速器屬于純力學機械結構，故增加檔位必會造成體積和質量的增加等。

手動變速器由變速傳動機構、變速器殼體、操縱機構組成。變速傳動機構可按前進擋數或軸的形式不同分類。按照前進擋數可以分為三檔、四檔、五檔、多檔變速器;按照軸的形式可以分為固定軸式（齒輪的旋轉軸線固定不動）和旋轉軸式（齒輪的旋轉軸線也是轉動的，如行星齒輪變速器），其中固定軸式手動變速器可以根據軸數的不同，分為兩軸式、中間軸式、雙中間軸式、多中間軸式。

2 五擋手動變速器使用性能設計的不足

2.1 換擋的平順性

換擋的平順性與同步器的嚙合關系密切，同步器是靠摩擦力矩的作用來實現主動齒輪與從動齒輪的同步嚙合，而摩擦力矩產生的沖擊力是換擋產生卡滯影響換擋的平順性的主要因素，摩擦力矩產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檔手動變速器的換擋平順性低于6檔的手動變速器。

2.2 動力輸出設計

五檔手動變速器的檔位設計大多數廠家設計都不一樣，大多情況是1檔位設計時速為0-20km/小時，2檔位設計時速20-30km/小時，3檔位設計時速為30-40km/小時，4檔位設計時速為40-50km/小時，5檔位設計時速為60km/小時以上，每個檔位設計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、告訴時對動力的輸出要求是不同的，低速行駛時要求輸出動力大、尤其是起步時要求輸出扭矩要足夠大;中速行駛時輸出動力較低速行駛時小，但也需要滿足各種路況對車輛行駛時的動力要求;高速行駛是輸出動力較小，主要是要保證足夠的行駛速度和安全，通常在高速行駛時速為60km/小時以上時，要保證車輛行駛速度主要依靠增加燃油供給量來實現。在高速公路行駛時對動力的輸出的要求與普通路面也不相同。隨著我國基礎建設越來越好，許多路面的質量也越來越好，這就對汽車的動力輸出與對時速輸出提出來新的的客觀需要。

2.3 高速行駛時的燃油消耗

五檔手動變速器在高速公路行駛中，當車速超過80km/小時時，只有通過加大油門增加燃油供給量來提高汽車的行駛速度，在120km/小時高速行駛時，發動機轉速通常在3000rad/min以上，隨著車速的提升和發動機轉速的提高，燃油消耗也隨之大幅增加。

2.4 發動機的使用壽命

汽車發動機長時間的高速運轉，往往增加了運動零部件的磨損，縮短了發動機的使用壽命。而傳統的五檔手動變速器在高速車速超過80km/小時時，只能通過增加燃油供給量來提高發動機轉速，進而提升車速來滿足高速行駛的需要，這就使發動機長期處于3000rad/min以上的轉速，不僅增加了燃油消耗率，而且增加了發動機的磨損，進而縮短了發動機的使用壽命。

3 六檔設置的必要性分析

3.1 六檔的檔位設計更符合現代道路交通的實際情況。

六檔的設計為1、2、3、4、5、6等六個前進擋。其中1檔位設計時速為0-15km/小時，滿足車輛起步時并不需要過高的車速，動力輸出是關鍵;2檔設計時速為15-30km/小時，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、平順性和經濟性，還使司機不會因為頻繁得2-3檔之間換擋而增加心里的煩躁，增強了道路行駛的安全性和處理事故發生的概率;3檔設計時速為30-50km/小時，滿足汽車中速小時的需要，目前許多城市路段的設計中存在限速40-50km/小時的規定，而將3檔設計在此范圍更符合現在城市道路的實際情況，根據人性化;4檔設計時速為5-70km/小時，滿足許多縣道、省道和過道路段60-70km/小時的限速規定，使駕駛員操控車輛簡便而不繁瑣，有利于減少車輛超速違規給老百姓帶來的不便和壓力，也有利于交通事故和安全事故的減少;5檔設計時速為80-100km/小時，方便在高速道路行駛時的進入和轉出，同時在非超車道行駛時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;六檔設計時速為100km/小時以上，具體上限由廠家根據道路交通法等合理設計。

3.2 六檔設計的優勢有利于提高車輛的平順性和經濟性

六檔的設計具有更好的操控性，更科學的轉速比和動力輸出，提升了車輛換擋的平順性，改善了發動機功率輸出的平順性，保證足夠的行駛速度和安全的同時，使車輛高速行駛時更具可控性，在提升車輛行駛速度時還可以通過六檔來降低發動機的轉速，不僅有利于提高發動機的使用壽命，也改善了發動機燃油消耗的經濟性。同時也更符合現代社會發展因為基礎設施建設質量的大幅提高，道路狀況已經今非昔比，對汽車的現實需求也有利于六檔手動變速器的推廣和普及。

4 六檔手動變速器的設計與改進

1.根據變速器的檔位進行傳動比的設計

結合實際情況進行計算手動變速器傳動比i（i=n1/n2=z2/z1），改變變速器的扭矩輸出和轉速，滿足汽車正常行駛時對扭矩和行駛速度的需要，更好的好的適應不同行駛要求時的扭矩輸出和轉速，使汽車始終保持著最佳的動力性和經濟性，并滿足各種形式速度和扭矩的要求。

2.根據換擋過程中變速器齒輪的受力進行齒輪模數、齒厚等參數的設計。

包括壓力角、齒寬、變位系數、節圓直徑、基圓直徑、分度圓直徑等，確保所有參數的精確度，滿足汽車行駛過程中變速器齒輪的強度和可靠性。換擋時其變速器的轉動比會發生改變，變速器齒輪系統體積縮小是輕量化設計的關鍵點。

3.根據變速器體積、重量等要求進行齒輪材料的選擇

合理選擇齒輪與齒輪箱的材料，在強化齒輪可靠性的基礎上遵循輕量化設計理念，提高機械式變速器的可靠性。基于此，可以將機械式變速器齒輪體積之和最小作為輕量化設計的目標函數，建立其于齒輪齒輪寬度、分度圓直徑的函數模型，并分析其有效性和適宜性。之后，基于變速器擋位傳動比之間存在的關系，轉化出包含相關基本參數的函數。最后基于具體的約束條件對目標函數進進行求解，實現汽車變速器系統體積的縮小，同時滿足輕量化設計和可靠性設計對材料的要求。

5 結論

隨著現代社會的不斷向前發展，人們對汽車的需求也越來越理性，手變速器的后期使用成本低廉、維修保養方便、使用壽命長、更具駕駛品味等獨特的魅力對有車一族的吸引力有增無減，因此六檔手動變速器的推廣和普及必將在今后的手動變速器中成為主流。

參考文獻：

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