汽车手动换挡变速演示台的研制

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摘 要：介绍了一种自主研发的汽车手动三级换挡变速演示教具（已获实用新型专利）。为了使学生了解汽车手动操纵式齿轮变速器的基本组成及工作原理，以三级换档变速为例，展示操纵机构动作下变速器是如何实现不同传动比的输出。通过机械零件设计及电路设计演示了增速、减速、空挡时的输入及输出转速，直观展示了汽车手动换挡变速的实现。

关键词：手动换挡；变速器；演示台

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.22.229

0 引言

为了满足汽车起步、爬坡、高速行驶等驾驶的需要，变速器应运而生。它能在发动机和车轮之间产生不同的变速比，使汽车发动机工作在其最佳的动力性能状态下。汽车变速器按照操控方式可分为手动变速器和自动变速器两种。手动变速器MT，主要由齿轮和轴组成，拨动操纵杆改变箱内齿轮的啮合位置，从而改变传动比，达到变速的目的；而自动变速器AT是由液力变扭器、行星齿轮和液压操纵系统组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。为了使学生直观了解汽车手动操纵式齿轮变速器的基本组成及工作原理，特研发此教具，展示操纵机构动作下变速器是如何实现不同传动比的输出。

1 设计方案

汽车手动变速箱的结构已很经典，制造技术也相当成熟，但是如何设计出一种教学上的汽车手动换挡变速演示仪，却有很大的难度。手动变速器现有的教学模型主要有三类，一类是塑料模型采取仿真的方式，实现系统的工作过程展示；第二类是采用电动装置程序化控制的演示教板；第三类是汽车手动变速器的实物解剖教具。塑料透明教具重量轻，便于携带，但各零部件相对独立，仿真的精细化程度不高，质量差，教学效果不佳。因此，演示台的设计要达到以下目的：生动实现专业课程的教学，全面展示汽车手动换挡变速器的结构与工作原理，为学生提供操作性强的实践项目。从而增强课堂教学质量，培养学生动手能力，促进专业教师业务水平的提升。

1.1 工作原理

发动机通过曲轴把动力传递给离合器，离合器传递给变速器，变速箱传递给传动轴连接到车轮，提供车轮转动的动力。手动变速器，又称手动挡，由变速传动机构和变速操纵机构两大部分组成。变速传动机构主要由齿轮组、输入轴、输出轴、中间轴、同步器、轴承和变速器壳等组成。它的工作原理就是通过切换不同的齿轮组，来实现传动比的变换。离合器传递来的动力通过动力输入轴直接传递给齿轮组，齿轮组是由齿数不同的齿轮构成的，驾驶中的换挡就是使不同传动比的齿轮啮合，达到完全不同的动力输出效果。图1是一个三轴三挡变速器的结构模型。

动力输入轴通过离合器与发动机相连实现动力的输入，通过一对常啮合的齿轮，输入轴的旋转带动了中间轴的旋转。中间轴上设置了两个不同齿数的齿轮，分别与两个从动齿轮啮合，获得两个挡位的输出轴输出，最后通过差速器来驱动汽车。

为了保证顺利地换挡，结构上设置一个重要的部件――同步器。同步器就是在结合套和齿轮组上布置的摩擦片，但它的摩擦面是锥形的。这组摩擦片的作用是在直齿和圆盘的立齿相接触以前，提前进行摩擦，使转速较大的一方将能量传递给转速较小的一方，带动其提升转速，达到与高转速的一方转速同步，这样不仅可以保证正常换挡，还能起到缓冲的作用。中间轴上的两个齿轮与动力输出轴上相啮合的两个齿轮是随着发动机动力一起转动的，如果没有同步器的接合，两个齿轮只能在动力输出轴上空转，相当于变速器挂了空挡。拨动换挡叉，同步器和齿轮接合时，发动机的动力就会通过中间轴传递到输出轴上，实现动力的输出，而未被接合的齿轮作自由旋转，不对花键轴产生影响。

1.2 演示台结构设计

根据汽车手动操纵式齿轮变速器的基本组成及工作原理，演示台设计成两轴三挡变速器，主动轴与一低速电机直连，模拟发动机的动力输入，三挡变速分别为增速、减速与空挡。演示台的创新之处就是通过操纵组件的动作，能直观显示主动轴及从动轴的转速。

三级换挡变速演示台由操纵组件、变速传动组件和转速数显三部分组成，其中操纵组件由摇杆手柄、摇杆接头、拨叉、拨叉轴、自锁装置组成，变速传动组件由齿轮、支承轴、同步器、接合齿、活动齿套所组成。图2为汽车三级手动换挡变速演示台的总体结构设计。

在主动轴和从动轴两端配有弹性联轴器、电机（含正反转）和光电角位移传感器，光电角位移传感器所测得的转速能实现数显，上侧显示的是主动轴转速n0，左右两侧分别显示三级挡位下从动轴转速n1和n2。

为了保证变速器能够准确无误地挂挡，并安全、可靠地工作，特设置了自锁装置，含自锁弹簧与自锁钢珠。当需要换挡时，通过摇杆手柄对拨叉轴施加一定的轴向力，克服弹簧的压力而将自锁钢珠从拨叉轴凹槽中挤出并推回孔中，拨叉轴便可滑过钢球进行轴向移动，并带动拨叉及相应的活动齿套轴向移动，如图3所示。

根据演示台的尺寸大小，设计减速挡主从动齿轮与增速挡主从动齿轮，模数均取为1.5mm。减速挡齿轮齿数分别为Z1=38，Z2=46，增速挡齿轮齿数分别为Z1=43，Z2=41。由于输入轴转速较低，齿轮均设计成圆柱直齿齿轮。

2 演示台的功能实现

传动组件是变速器的主体，由两对相互啮合的齿轮、同步器及其支承轴组成，壳体选用透明材料制作，使学员能清晰掌握零件组成及其连接方式，并观察其不同的运动状态。主动轴由电机带动旋转，中部设计了主动轴的固定毂与活动套齿相配合，减速、增速挡位的主动齿轮分别与接合齿固联，同步环与接合齿采用锥形螺纹的摩擦连接；操纵组件含摇杆手柄、摇杆接头、拨叉等构件，通过左中右移动拨叉，分别实现两对不同齿数齿轮的啮合，得到三种不同的从动轴转速输出，从而实现减速、空挡、增速换挡变速；转速的数显部分能分别实时显示主动轴及两级从动轴的转速大小和旋转方向，直观展现手动操纵式换挡变速的结果。

接通电源，电机低速旋转，操纵摇杆手柄处于中间位置，为空挡状态时，电机带动主动轴旋转，n0显示为电机的转速（9.7rad/m），而主动齿轮空转无动力输出，从动轴的转速为零；向左拨动摇杆手柄，拨叉向右移动，使得主动轴上齿数为38的小齿轮与从动轴上齿数为46的大齿轮进行啮合传动，电机动力经主动轴、活动齿套、接合齿、主动齿轮、从动齿轮至从动轴输出，n2显示转速为8.1 rad/m，此为减速挡；向右拨动摇杆手柄，拨叉向左移动，同理使得主动轴上齿数为43的大齿轮与从动轴上齿数为41的小齿轮进行啮合传动，n1显示转速为10 rad/m，此为增速挡。

3 结语

目前我国汽车相关专业在变速器的教学过程中，多采用实物解剖的方法向学生传授内部结构，但无法实现换挡变速的动态过程演示，为了激发学习兴趣，增强教学效果，特研发这一教具，直观展示手动变速器的基本组成及工作原理。

演示台创新性地实现了变速器传动机构与换挡操纵机构之间的有效连接，显示不同挡位下主动轴及从动轴的转速大小，学生能清晰掌握零件组成及其连接方式，观察其不同的运动状态，并能实现零部件的拆装，对于汽车相关专业学员的实践教学具有较强的推广意义。

参考文献：

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[4]焦红莲，王玲，孙晋松.某手动变速箱换挡性能分析及改进策略[J].机械制造与自动化，2015（06）：79-82.

湖北省教育厅科学技术研究计划指导性项目：B2015390《汽车手动三级换挡变速演示台的研制》

作者简介：刘清（1973-），女，福建人，副教授，研究方向：流体机械专业。