3.1 手动变速器构造

手动变速器因其结构简单、制造成本低、维修容易等特点，被广泛应用在汽车上。手动变速器类型按变速器前进挡数多少，常用的有四、五、六、九、十、十一、十二、十六挡变速器。按传动轴数不同，可分为两轴式、三轴式和组合式3类。发动机前置、前轮驱动形式的汽车采用两轴式变速器，例如奥迪100型轿车、捷达轿车、夏利轿车；发动机前置、后轮驱动形式的汽车采用三轴式变速器，例如解放CA1092、东风EQ1090E型等中型汽车变速器。组合式变速器通常由挡位数较多的主变速器和仅有高低两个挡位的副变速器串联而成，使变速器有较多挡位，扩大传动比，保证汽车具有良好的动力性、经济性和加速性，如斯太尔等重型汽车采用2FS6-90变速器。

3.1.1 齿轮传动变速、变向原理

1．齿轮传动变速原理

手动变速器是利用不同齿数的齿轮啮合传动的组合实现转速和转矩的改变。假设一对啮合传动的齿轮，小齿轮齿数Z1=20，大齿轮齿数Z2=40。则在相同的时间内，小齿轮转一圈，大齿轮只转1/2圈，如果小齿轮是主动齿轮，它的转速经大齿轮输出时就降低了；若大齿轮为主动齿轮，它的转速经小齿轮输出时便提高了，这就是齿轮传动的变速原理。

由齿轮传动的原理可知，一对齿数不同的齿轮啮合传动时可以变速，因为这对齿轮是逐齿啮合传动的，在相同的时间内，两齿轮啮合过去的轮齿数必定相等，而且两齿轮的转速与齿轮的齿数成反比。设主动齿轮的转速为n1，齿数为Z1；从动齿轮的转速为n2，齿数为Z2。主动齿轮（即输入轴）的转速与从动齿轮（即输出轴）的转速之比值称为传动比，用i1,2表示。

i1,2=n1/n2=Z2/Z1

即

n1·Z1=n2·Z2

i1,2=n1/n2=Z2/Z1=40/20=2

变速器里有多对齿轮副，通过不同的搭配而得到不同的传动比。对于两对齿轮副传动，如图3.1（a）所示，则有：

i1,2=n1/n2=Z2/Z1, n1=Z2/Z1·n2

i3,4=n3/n4=Z4/Z3, n4=Z3/Z4·n3

这两对齿轮副传动总传动比i1,4=n1/n4=Z2·Z4/Z1·Z3=i1,2·i3,4

上式说明，多级齿轮传动的传动比

i=所有从动齿轮齿数连乘积/所有主动齿轮齿数连乘积=各级齿轮传动比连乘积

所以汽车变速器某一挡位的传动比就是指这一挡位各级齿轮传动比的连乘积。

功率P=ω·M=2πn/60·M（W）

式中：P——功率（W）；

M——扭矩（N·m）；

n——转速（r/min）。

在不考虑其他能量损失的情况下，主动齿轮即输入轴功率P1等于从动齿轮即输出轴的功率P4，即

P1=P4

M1·n1=M4·n4→M4/M1=n1/n4=i1,4

上式说明，传动比既是降速比也是增扭比，汽车手动变速器就是利用这个原理，设置多对齿轮传动进行不同组合，通过挡位变换来改变传动比，从而实现多级变速的，以满足汽车对不同牵引力的需要。

当变速器某挡传动比i＞1时，为降速增扭传动，其挡位称为降速挡；当i＜1时，为增速降扭传动，其挡位称为超速挡；当i=1时，为等速等扭传动，其挡位称为直接挡。

把变速器传动比值较小的挡位称为高挡，传动比值较大的挡位称为低挡；变速器挡位的变换称为换挡，由低挡向高挡变换称为加挡或升挡，反之称为减挡或降挡。

2．齿轮传动变向原理

由齿轮传动原理可知，一对相啮合的外齿轮旋向相反，每经过一传动副，其轴改变一次转向。两轴式变速器在输入轴与输出轴之间加装了一倒挡轴和倒挡齿轮，即可变向。而三轴式变速器则在中间轴与输出轴之间加装了一倒挡轴和倒挡齿轮，如图3.1（b）所示，就可使输出Ⅱ轴与输入轴Ⅰ转向相反，从而可实现汽车倒向行驶。

3.1.2 手动变速器构造

手动变速器由变速传动机构、变速操纵机构两部分组成。变速传动机构改变转矩、转速和旋转方向；变速操纵机构控制传动机构实现变速器传动比的变换。在越野汽车上，为了将变速器输出的动力分配到各驱动桥，变速器后装有分动器。

1．变速传动机构

1）两轴式变速器

两轴式齿轮变速器主要应用于发动机前置、前轮驱动或发动机后置、后轮驱动的中、轻型轿车上，以便汽车的总体布置。目前，轿车上采用发动机前置、前轮驱动的布置形式越来越广泛。其中前置发动机又有纵向布置和横向布置两种形式，与其配用的两轴式变速器也有两种不同的结构形式。下面以奥迪100型轿车的两轴式齿轮变速器变速传动机构为例，介绍纵向布置的两轴式变速器组成，如图3.2所示。

该变速器输入轴1通过离合器与发动机曲轴相连；输出轴12经主减速器将运动和动力传给驱动轮。具有5个前进挡和1个倒挡，并采用锁环式同步器换挡。在输入轴上，从左向右的齿轮依次为一、二、三、四、五挡和倒挡的主动齿轮，其中三、四挡主动齿轮通过轴承空套在输入轴上，其间设有与输入轴固定连接的同步器花键毂7。在输出轴上，从左向右的齿轮依次为上述各前进挡和倒挡的从动齿轮，其中齿轮28、23、20、13均通过轴承空套在输出轴上，且齿轮28与13之间和齿轮20与13之间，分别设有与输出轴固定连接的同步器花键毂26和18。倒挡主动齿轮11、倒挡中间齿轮15和倒挡从动齿轮13位于同一旋转平面内。当变速器操纵机构将3个同步器接合套都置于同步器花键毂中央时，变速器处于空挡状态，轿车既不能前进也不能倒退。当变速器操纵机构将同步器接合套25向左或向右移动使其与相应的接合齿圈接合时，便可得到一挡或二挡；向左或向右移动接合套6时，便可得到三挡或四挡；向左或向右移动同步器接合套17时，便可得到五挡或倒挡。

一挡传递路线：同步器接合套25左移，动力经输入轴1→一挡主动齿轮2→一挡从动齿轮28→同步器锁杯27→同步器接合套25→同步器花键毂26→输出轴12。

二挡传递路线：同步器接合套25右移，动力经输入轴1→二挡主动齿轮3→二挡从动齿轮23→同步器锁杯24→同步器接合套25→同步器花键毂26→输出轴12。

三挡传递路线：同步器接合套6左移，动力经输入轴1→同步器花键毂7→同步器接合套6→同步器锁杯5→三挡主动齿轮4→三挡从动齿轮22→输出轴12。

四挡传递路线：同步器接合套6右移，动力经输入轴1→同步器花键毂7→同步器接合套6→同步器锁杯8→四挡主动齿轮9→四挡从动齿轮21→输出轴12。

五挡传递路线：同步器接合套17左移，动力经输入轴1→五挡主动齿轮10→五挡从动齿轮20→同步器锁杯16→同步器接合套17→同步器花键毂18→输出轴12。

倒挡传递路线：同步器接合套17右移，动力经输入轴1→倒挡主动齿轮11→倒挡中间齿轮15→倒挡从动齿轮13→同步器锁杯19→同步器接合套17→同步器花键毂18→输出轴12。

桑塔纳2000系列轿车采用五挡手动变速器，由传动机构、操纵机构、变速器壳体等组成。该变速器的5个前进挡均装有锁环惯性式同步器，其结构如图3.3所示。当驾驶员挂上某一挡位时，动力由输入轴传入变速器，通过相啮合的齿轮副将动力由输出轴传至主减速器，在变速器中实现了变速、变扭的作用。变速器设置有超速挡，传动比小于1，主要用于在良好路面或空车行驶时，提高汽车的燃料经济性。桑塔纳2000系列轿车五挡手动变速器的性能参数见表3.1。

两轴式变速器从输入轴到输出轴只通过一对齿轮传动，前进时只有一对齿轮传动，倒挡传动路线中也只有一个中间齿轮，因而结构简单、机械效率高、噪声小。但由于它不可能有直接挡，因而最高挡的机械效率比直接挡低，并且传动比变化小，只用在中、小型轿车上。

2）三轴式变速器

三轴式变速器传动比变化范围大，在中、小型货车，越野车上被广泛采用。东风EQ1090E型汽车的三轴式变速器变速机构简图，如图3.4所示。

该变速器有输入轴即第一轴1、中间轴15和输出轴即第二轴14等3根轴。第一轴前端与轴承配合并支承在发动机曲轴后端的内孔中，其花键部分用以安装离合器从动盘；后端与轴承配合并支承在变速器壳体的前壁上，齿轮2与此轴制成一体。中间轴两端均用轴承支承在变速器壳体上；其上固定连接齿轮23与齿轮2构成常啮合传动副；齿轮20、21、22分别为二、三、四挡主动齿轮并固定连接其上；与该轴制成一体的齿轮18为一挡和倒挡共用的主动齿轮。第二轴前、后端分别用轴承支承于第一轴后端孔内和变速器壳体的后壁；其上齿轮12是采用花键连接并能通过操纵机构轴向滑动的一挡和倒挡公用的从动齿轮；齿轮11、7、6分别为二、三、四挡从动齿轮并用轴承支承其上，它们分别与齿轮20、21、22保持常啮合；花键毂24和25分别固定在齿轮11与7和6与2之间；两毂上的外花键分别与带有内花键的接合套9和4连接，且接合套通过操纵机构能沿花键毂轴向左右滑动，可分别实现与齿轮11或7、齿轮6或2上的接合套圈接合。倒挡轴16上的双连倒挡齿轮17和19采用轴承支承，且齿轮19和18呈常啮合。

由图3.4所示可见，当第一轴1旋转时，通过齿轮2即可带动中间轴及其上所有齿轮旋转。但因从动齿轮6、7、11均采用轴承空套在第二轴上，且接合套4、9和齿轮12均处于中间位置，不与任何齿轮的接合齿圈接合，也不与齿轮18或17接合，第二轴不能被驱动，故变速器处在空挡状态。

通过使用变速器操纵机构，控制接合套或同步器变换挡位，各挡位传递路线如下：

一挡传递路线：滑动齿轮12左移，动力经第一轴1→齿轮2→齿轮23→中间轴15→齿轮18→齿轮12→接合套9→花键毂24→第二轴14。

二挡传递路线：同步器接合套9右移，动力经第一轴1→齿轮2→齿轮23→中间轴15→齿轮20→齿轮11→第二轴14。

三挡传递路线：同步器接合套9左移，动力经第一轴1→齿轮2→齿轮23→中间轴15→齿轮21→齿轮7→齿圈8→接合套9→花键毂24→第二轴14。

四挡传递路线：接合套4右移，动力经第一轴1→齿轮2→齿轮23→中间轴15→齿轮22→齿轮6→齿圈5→接合套4→花键毂25→第二轴14。

五挡传递路线：接合套4左移，动力经第一轴1→齿轮2→齿圈3→接合套4→花键毂25→第二轴14。

倒挡传递路线：滑动齿轮12右移，动力经第一轴1→齿轮2→齿轮23→中间轴15→齿轮18→倒挡齿轮19→倒挡齿轮17→齿轮12→第二轴14。

解放CA1092型汽车六挡变速器也是三轴式变速器，其结构与东风EQ1090E三轴式变速器相似，只是增加了一个挡位。二挡使用锁销式同步器，三～六挡使用锁环式同步器。组装好的变速器总成用螺栓固定在离合器壳上，并以第一轴轴承盖的外凸面与离合器壳相应的孔配合，以保证第一轴和曲轴的轴线重合。第二轴后段花键上装有用以连接万向传动装置的凸缘。第一轴的前端用向心球轴承支承在飞轮的中心孔内，其后端则利用圆柱滚子轴承支承在变速器壳体上。第二轴的前端用滚针轴承支承在第一轴齿轮内孔中，其后端亦利用圆柱滚子轴承支承在壳体上。中间轴的两端也采用圆柱滚子轴承为支承。倒挡轴用锁片固定在壳体上，防止其转动和轴向移动。在该变速器中各个挡位利用同步器和接合套换挡，第二轴和中间轴的轴向尺寸较大。为提高轴的支承刚度和轴承的承载能力，故第一、二轴和中间轴的支承有必要全部采用圆柱滚子轴承。但由于圆柱滚子轴承的接触线长，滚动阻力较大，在汽车的大负荷、长时间运行中，易产生发热现象，严重时轴承可能被烧毁，故应加强变速器的润滑。

北京切诺基吉普车AX4型或AX5型变速器均是三轴式变速器，AX4型有4个前进挡，一个倒挡，四挡为直接挡。也有少数车采用AX5型变速器，有5个前进挡，一个倒挡，五挡为超速挡，前进挡均采用锁环式惯性同步器。该车变速器采用横向剖分式带有中间隔板的整体式变速器壳体。在中间隔板上安装着齿轮传动机构和换挡机构。这样一方面能使变速器的检查、维修、调整和装配直观方便；另一方面又能使换挡机构及其互锁装置紧靠齿轮传动机构使其结构极为紧凑。但壳体加工精度要求高，中间隔板的两面均有定位销定位。

为减少内摩擦引起的零件磨损和功率损失，须在壳体内注入齿轮油，可采用飞溅方式润滑各齿轮副、轴与轴承等零件的工作表面。因此，壳体一侧有加油口，壳体底部有放油塞，油面高度即由加油口位置控制。为防止变速器工作时由于油温升高、气压增大而造成润滑油渗漏现象，在变速器盖上装有通气塞。

与二轴式变速器比较，三轴式变速器第一轴动力不经中间轴直接传到第二轴，其传动比为1，称之为直接挡。其传动效率最高，亦可获得最高车速。但此外的其他前进挡须经两对齿轮传动，倒挡须经3对齿轮传动，故传动效率有所降低，噪声会有所增大。

3）综合式变速器

重型汽车的装载质量大，使用条件复杂，要保证重型汽车具有良好的动力性、经济性和加速性，必须扩大变速器传动比的范围并增加挡位数。为避免变速器的结构过于复杂和便于系列化生产，多采用组合式机械变速器。即以一二种4～6挡变速器为主体，通过更换系列齿轮副和配置不同的副变速器，得到一组不同挡位数、不同传动比范围的变速器系列。目前，组合式机械变速器已成为重型汽车采用的主要类型。在安凯、西沃、亚星奔驰、桂林大宇及厦门金龙等企业的7～12m高档大、中型客车以及总质量在14～50t重型载货车及各种专用车、特种车上配套采用。

中国重型汽车集团公司生产的斯太尔重型汽车用ZFS6-90变速器传动机构，如图3.5所示，它为了得到较多的挡位，在主变速器Ⅰ的后面串联安装了一个两挡副变速器Ⅱ，这样可得到10个前进挡。在主变速器Ⅰ中，除倒挡采用直齿轮传动外，其余各挡均采用斜齿轮传动。二～五挡采用同步器换挡，而一挡和倒挡是利用接合套11的移动完成换挡的。副变速器Ⅱ中的高速挡即直接挡和低速挡的挂挡亦采用了同步器。当副变速器中的同步器接合套17左移与固定外齿圈16接合时，行星齿轮内齿圈15被固定而不能转动，则副变速器挂入低速挡。当使接合套17右移与副变速器高速挡齿圈18接合时，行星齿轮轴14、输出轴19、行星齿轮内齿圈15和副变速器输入轴齿轮20固连在一起而同步旋转，则副变速器挂入高速挡。

润滑油泵2由第一轴直接驱动，并通过第一轴和第二轴6中的中心油道来润滑第二轴上的常啮齿轮5、7、9、10、12的内孔与第二轴的配合表面以及副变速器中的行星齿轮轴14。

主、副变速器的挡位分别由主、副变速操纵机构控制，并要求先使用副变速杆，选定所需低挡或高挡，然后使用主变速杆选择所需挡位。副变速器处于低挡时，可获得一、二、三、四、五前进挡和倒挡；副变速器处于高挡时，可获得六、七、八、九、十前进挡和倒挡。

德国ZF公司生产的9S109组合式变速器，有9个前进挡，主变速器有5个前进挡，副变速器为行星齿轮系传动结构。当副变速器中的同步器接合套与固定外齿圈接合时，行星齿轮内齿圈被固定而不能转动，则副变速器挂入低挡，此时将主变速器分别挂入5个不同挡位可得到组合式变速器5个较大的传动比。当使接合套与副变速器高挡齿圈接合时，行星齿轮轴、输出轴、行星齿轮内齿圈和副变速器输入轴齿轮固定在一起而同步旋转，则副变速器挂入高挡，主变速器的5个挡位传动比即分别等于组合式变速器5个较小的传动比。由于有两个传动比数值很接近，故省掉一个传动比，组成9挡变速器。变速器的操纵系统由旋转轴远距离操纵或直接操纵，副变速器由压缩空气自动换挡，爬行挡和倒挡用啮合套换挡，其他挡用同步器换挡。

4）手动变速器换挡装置

手动变速器的换挡装置常见的有直接滑动齿轮式、接合套式和同步器式3种结构型式，目前同步器式换挡装置被普遍使用。变速器换挡装置除应能保证顺利地挂挡和退挡外，在结构上还必须保证在汽车行驶过程中，当变速器换入某一挡位后不会出现自动脱挡现象。常见的防止自动脱挡的结构有齿端倒斜面式和减薄齿式两种。

（1）直接滑动齿轮式换挡装置。直接滑动齿轮式换挡装置用于直齿轮传动的挡位，换挡齿轮与轴通过花键相连接，常用于一挡、倒挡。

（2）接合套式换挡装置。接合套式换挡装置用在斜齿轮传动的挡位。当欲挂某一挡时，拨动接合套使之与花键毂及接合齿圈同时啮合，即挂入该挡。接合套式换挡装置由于其接合齿短，换挡时拨叉移动量小，故操作较轻便，且换挡承受冲击的面积增加，使换挡时冲击力减小，换挡元件的寿命增长。下面以某五挡变速器中四挡和五挡相互转换的接合套式换挡装置为例介绍换挡装置工作过程，如图3.6所示。它是通过操纵机构轴向移动套在花键毂4上的接合套3，使其内齿圈与齿轮5或齿轮2端面上的外接合齿圈啮合，从而获得五挡或四挡。

①从低速挡（四挡）换入高速挡（五挡）。变速器在低速挡工作时，接合套3与齿轮2上的接合齿圈啮合，二者啮合的圆周速度ω2=ω3，如图3.6所示。若从此低速挡换入高速挡，驾驶员应先踩下离合器踏板使离合器分离，接着采用变速操纵机构将接合套右移，使其处在空挡位置。当接合套3与齿轮2上的接合齿圈刚刚脱离啮合时，视ω3与ω2相等。由于齿轮2的转速小于齿轮5的转速，所以圆周速度ω2＜ω5，即由低速挡换入空挡的瞬间，ω3＜ω5。为使轮齿免受冲击，此时不应立即将接合套右移至与齿轮5上的接合齿圈啮合而挂上高速挡，即让空挡短时保留。此时，因离合器分离而使变速器第一轴上传动件与发动机中断了动力传递，加上与第二轴相比，第一轴乃至相关传动件转动惯量很小，所以ω5下降较快；接合套通过花键毂和第二轴直至与整个车辆联系在一起，转动惯量很大，所以ω3下降很慢，如图3.7（a）所示。因ω5和ω3下降速率不等，随着空挡停留时间的推移，ω5和ω3终将在t0时刻达到相等，此交点即为自然同步状态。此时通过操纵机构将接合套3右移至与齿轮5上的接合齿圈啮合而挂入高速挡，则不会产生轮齿间冲击。因此，由低速挡换入高速挡时，驾驶员把握最佳时机非常重要。

②从高速挡（五挡）换入低速挡（四挡）。变速器在高速挡工作时，接合套3与齿轮5上的接合齿圈啮合，如图3.6所示。参照低速挡换高速挡的分析，无论是高速挡工作时，还是高速挡换入空挡的瞬间，接合套3与齿轮5上的接合齿圈的圆周速度均相等，即ω5=ω3；又因ω5=ω2，所以ω3=ω2，如图3.7（b）所示。此时同样不宜立刻由空挡换入低速挡。但在空挡停留时，由于ω2下降速度比ω3快，不可能出现ω3=ω2的情况，且空挡停留时间愈长，ω3与ω2的差距愈大，根本不可能达到自然同步状态，表明在任何时刻换挡都会产生冲击。对此，驾驶员应采用“两脚离合器”的换挡步骤。即第一次踩下离合器踏板，切断发动机动力，将高速挡换入空挡；接着松开离合器踏板，接合动力并踩下油门加油，使发动机转速提高时，齿轮2及其接合齿圈的转速相应得以提高，直至ω2＞ω3。至此再踩下离合器踏板切断动力，迫使ω2迅速下降至ω2=ω3，与此对应的时刻t′o，即是由空挡换入低速挡的最佳时机，如图3.7（b）所示。此时通过操纵机构将接合套3左移至与齿轮2上的接合齿圈啮合而挂入低速挡，不会产生轮齿间冲击。由高速挡换入低速挡时，驾驶员把握最佳时机更为关键。

接合套式换挡装置换挡操作方法同样适用于滑移齿轮式换挡装置。但受驾驶经验及其他因素的影响，要求在很短的时间内迅速准确地实施完成所需的换挡，要靠相当熟练的操作技能，使驾驶员劳动强度增大，并且在实际中完全做到无冲击换挡是很困难的。因此，采用同步器换挡装置已成为越来越广泛应用的先进技术。

（3）同步器式换挡装置

同步器式换挡装置是在接合套式换挡装置的基础上又加装了同步元件而构成的一种换挡装置，简称同步器。同步器是对接合套换挡装置的继承与发展，同步器保证在换挡时使接合套与待啮合齿圈的圆周速度迅速相等，缩短变速器换挡时间，并防止二者在同步之前进入啮合，从而可消除换挡时的冲击。

同步器有常压式、惯性式和自行增力式等种类。这里仅介绍目前广泛采用的惯性式同步器。惯性式同步器是依靠摩擦作用实现同步的，在其上面设有专设机构保证接合套与待接合的花键齿圈在达到同步之前不可能接触，从而避免了齿间冲击。惯性式同步器按结构又分为锁环式和锁销式两种，轿车、轻型和中型货车的变速器广泛采用了锁环式惯性同步器。

①锁环式惯性同步器。现以解放CA1091中型货车变速器中的五、六挡同步器为例，介绍其主要结构和工作原理。

锁环式同步器主要由接合套7、花键毂15、锁环4和8、滑块5、定位销6和弹簧16等组成，如图3.8所示。花键毂15用内花键套装在第二轴外花键上，用垫圈、卡环轴向定位。花键毂15两端与接合齿圈3和9之间各有一个青铜制成的锁环4和8。锁环上有短花键齿圈套，其花键齿的尺寸和齿数与花键毂、接合齿圈3和9的外花键齿均相同。两个接合齿圈和锁环上的花键齿靠近接合套7的一端都有倒角，与接合套齿端的倒角相同。锁环有内锥面，与接合齿圈3和9的外锥面锥角相同。在锁环内锥面上制有细密的螺纹，当锥面接触后，它能及时破坏油膜，增加锥面间的摩擦力。锁环内锥面摩擦副称为摩擦件，外沿带倒角的齿圈是锁止件，锁环上还有3个均布的缺口。3个滑块5分别装在花键毂15上3个均布的轴向槽内，沿槽可以轴向移动。滑块被两个弹簧圈的径向力压向接合套，滑块中部的凸起部位压嵌在接合套中部的环槽内。滑块和弹簧是推动件。滑块两端伸入锁环的缺口中，滑块窄，缺口宽，两者之差等于锁环的花键齿宽。锁环相对滑块顺转或逆转都只能转动半个齿宽，且只有当滑块位于锁环缺口的中央时，接合套与锁环才能接合。

下面以由低挡（五挡）换入高挡（六挡）为例介绍同步器的工作过程，如图3.9所示。

当接合套刚从五挡换入空挡时，它与滑块均处于中间位置，并靠定位销定位，如图3.9（a）所示，此时锁环与接合齿圈之间的配合锥面并不接触，即锁环具有轴向自由度。由于锁环上凸起的一侧与花键毂上通槽的一侧相互靠合，故花键毂推动锁环同步旋转。可见，与第二轴相关的花键毂及锁环、接合套，与第一轴相关的六挡接合齿圈，均在自身及其一系列运动件的惯性作用下，继续按原方向旋转。设接合齿圈、锁环和接合套的转速分别为n1、n2和n3，此时n2=n3, n1＞n3，则n1＞n2。

力矩形成与锁止过程：若要挂入高挡（六挡），必须通过变速器操纵机构将接合套向左拨动，同时通过定位销带动滑块向左移动。当滑块左端面与锁环缺口端面接触时，继而推动锁环移向接合齿圈，促使具有转速差的两锥面一经接触便产生摩擦力矩Mf即是惯性力矩。此时接合齿圈通过Mf带动锁环相对于接合套和花键毂超前转过一个角度，直至锁环凸起与花键毂通槽的另一侧接触时，锁环又开始与花键毂和接合套同步旋转。同时，接合套的齿与锁环的齿相互错开约半个齿厚，从而使接合套齿端倒角和锁环齿端倒角正好相互抵触，导致接合套不能继续向左移动进入啮合。

如要接合齿圈与锁环齿圈实现接合，必须要求锁环相对接合套后退一定角度。由于驾驶员始终对接合套施加了向左的轴向推力F1，致使作用在锁环倒角面上的法向力FN产生了切向分力F2，如图3.9（b）左上方受力图所示。F2形成了使锁环相对接合套向后倒转的拨环力矩Mb。由于F1使锁环与接合齿圈配合锥面持续压紧，Mf迫使接合齿圈迅速减速，以尽快与锁环同步。因接合齿圈作减速旋转，根据惯性原理，所产生的惯性力矩的方向与旋转方向相同，且通过摩擦锥面作用在锁环上，阻碍锁环相对接合套向后倒转。

由此可见，接合齿圈与锁环以及接合套在未到同步之前，两个方向相反的力矩作用在锁环上，即拨环力矩Mb和惯性力矩Mf。若Mb＞Mf，则锁环即可相对接合套向后倒转一定角度，以便接合套进入啮合；若Mb＜Mf，则锁环阻止接合套进入啮合。正是因为待接合齿圈及与其联系的一系列零件的惯性力矩的大小决定锁环的锁止作用，故称其为惯性式同步器。

由于有一定的轴向推力F1，惯性力矩Mf的大小取决于接合齿圈与锁环配合锥面锥角的大小；拨环力矩Mb的大小取决于锁环和接合套齿端倒角即为锁止角的大小。因此，进行同步器设计时，需要适当选择锥角和锁止角，以保证达到同步之前始终是Mf＞Mb。这样，驾驶员施加在接合套上的轴向推力F1无论有多大，锁环都能有效阻止接合套进入啮合。

同步换挡：当驾驶员继续对接合套施加轴向推力时，锥面间的摩擦力矩就会迅速使接合齿圈的转速降到与锁环的转速相等，惯性力矩不复存在。但由于轴向推力F1的作用，两摩擦锥面仍紧密结合，此时在拨环力矩Mb的作用下，锁环连同接合齿圈及其所有零件一起相对于接合套向后倒转一定角度，导致锁环凸起转到正对花键毂通槽中央，接合套与锁环二者的花键齿不再抵触，即锁止现象消失。在驾驶员所施轴向推力的作用下，接合套克服弹簧阻力，压下定位销继续左移，直至与锁环花键齿圈完全啮合，如图3.9（c）所示。

此时，轴向推力F1不再作用于锁环，则锥面间摩擦力矩随之消失。而驾驶员还要持续向左拨移接合套，倘若又出现了接合套花键齿与接合齿圈花键齿抵触的情况，如图3.9（c）所示，则与上述分析类似，通过作用在接合齿圈花键齿端倒角面上的切向分力，使接合齿圈及其相联系的零件相对接合套转动一定角度，最终使接合套与接合齿圈完全啮合，完成低挡向高挡的转换，如图3.9（d）所示。

②惯性锁销式同步器。惯性锁销式同步器由花键毂、接合齿圈、接合套、锁销、摩擦锥盘、定位钢球及弹簧、定位销、摩擦锥环等组成，如图3.10所示。花键毂9通过内花键与第二轴7安装在一起。花键毂9的两侧分别为四挡接合齿圈6和五挡接合齿圈1。接合套5的圆周上相间均布着锁销8和3个定位销4，锁销及定位销的两端安装着两个带外锥面的摩擦锥环3，与摩擦锥环3相配合的两个带内锥面的摩擦锥盘2，则以其内花键齿分别固装在接合齿圈1和6上，可随齿圈一起转动。3个锁销8的两端插入到两锥环对应的孔中，并铆接成一体，锁销的中部制有一段环槽，环槽的两侧和接合套上相应的销孔的两端都切有相同的倒角，即为锁止角，3个锁销即通过此锁止角对接和套产生锁止作用。锁销两端工作表面的直径与接合套上的销孔直径相同，接合套可以沿其轴向滑动。3个定位销4的作用是对接合套进行空挡定位，并可将作用于接合套的轴向推力传给摩擦锥环。定位销4的中间制有定位环槽，在接合套上的相应部位钻有斜孔，孔内装有定位钢球10及弹簧11。当变速器处于空挡位置时，接合套5正好处于定位销的中间位置，此时定位钢球10便在弹簧11的作用下向外伸入到定位销中部的定位环槽内，以保证接合套准确地处于空挡位置。定位销两端的销杆部与接合套相应的销孔之间为间隙配合，接合套可以沿定位销轴向移动。两个定位销的两端伸入到两锥环3内侧面相应的弧形浅坑中，但销与锥环不相连，而与浅坑有一定的间隙，因此两锥环及锁销可以在一定范围内相对于接合套做周向转动，两个锥环3、3个锁销8、3个定位销4和接合套5构成一个部件，然后通过接合套的内花键齿套在花键毂的外花键齿圈上。

在空挡位置时，接合套5被定位销4和定位钢球10限定在中间位置。当要挂入五挡时，驾驶员通过变速操纵机构向左拨动接合套，对接合套施加一轴向推力F，接合套5便通过定位钢球10和定位销4推动左侧摩擦锥环3向左移动，使之与左侧摩擦锥盘2相接触。由于此时摩擦锥环3与锥盘2转速不相等，所以两者一经接触，便在其摩擦锥面之间的摩擦力矩作用下使摩擦锥环3连同锁销8一起相对于接合套5转过一个角度，使锁销与接合套相应销孔的中心线相对偏移，于是锁销中部环槽偏向接合套上销孔的一侧，锁销中部环槽倒角便与接合套销孔端倒角的锥面互相抵触，从而使锁销产生锁止作用，阻止接合套向左移动，见锁销放大图，如图3.10（c）所示。与锁环式同步器一样，在锁止倒角上的切向分力形成一个拨环力矩而力图使锁销及锥环倒转，但在锥盘与锥环未达到同步前，由摩擦锥盘2及与其相联系的旋转零件的惯性力矩所形成的摩擦力矩总是大于拨环力矩，因而可以阻止接合套5与五挡接合齿圈1在同步之前进入啮合。而只有达到同步后，惯性力矩消失，拨环力矩才可拨动锁销及摩擦锥环、锥盘和齿圈1等一起相对于接合套转过一个角度，使锁销重新与接合套的销孔对中，接合套便在轴向推力的作用下，压下定位钢球10而沿定位销和锁销向左移动，与五挡接合齿圈1进入啮合，即完成挂入五挡的换挡过程。

2．变速操纵机构

变速操纵机构保证驾驶员根据使用需要，将变速器换入所需的挡位。变速器操纵机构多为机械式，可分为直接操纵式和远距离操纵式两类。

1）直接操纵式变速操纵机构

直接操纵式变速操纵机构布置在驾驶员座位附近，多集装于上盖或变速器侧面，结构简单、操纵方便，驾驶员换挡“手感”明显。这种操纵机构由变速杆、拨块、拨叉、拨叉轴及锁止装置等组成，如图3.11所示。变速杆3球节支承于变速器盖顶部的球座内，球节上面用压紧弹簧压紧以消除间隙，球节上开有竖槽，固定于变速器盖的销钉伸入该槽内且为滑动配合，变速杆只能以球节为支点前后左右摆动但不能转动。变速杆3下端球头带动叉形拨杆绕换挡轴4的轴线转动，叉形拨杆下端球头对准某一拨块的竖槽，然后纵向移动，带动拨叉轴及拨叉向前或向后移动，可实现换挡。拨块及拨叉都以弹性销固装在相应的拨叉轴上，拨叉轴两端支承于变速器盖相应孔中，可轴向移动。

叉形拨杆下端球头装在拨块7的凹槽中，当变速杆3带动叉形拨杆向前或向后移动时，拨块7带动拨叉轴5和拨叉6就向前或向后移动，可换入所需的挡位。

要使操纵机构安全可靠地工作，设有锁止装置，其包括自锁装置、互锁装置和倒挡锁装置。

（1）自锁装置。自锁装置防止变速器自动换挡和自动脱挡。多数变速器的自锁装置由自锁钢球2和自锁弹簧1组成，如图3.12所示。

在变速器盖6前端凸起部位钻有3个深孔，位于3根拨叉轴3的上方。每根拨叉轴对着自锁钢球2的一面有3个凹槽，槽的深度小于钢球半径，中间的凹槽为空挡定位，中间凹槽至两侧凹槽的距离等于滑动齿轮或接合套由空挡换入相应挡位的距离，保证全齿长啮合。自锁钢球被自锁弹簧压入拨叉轴的相应凹槽内起到锁止挡位的作用，防止自动换挡和自动脱挡。换挡时，驾驶员施加于拨叉轴上的轴向力克服自锁弹簧与自锁钢球的自锁力时，自锁钢球便克服自锁弹簧的预压力而升起，拨叉轴移动，当钢球与另一凹槽处对正时，钢球又被压入凹槽内。

（2）互锁装置。互锁装置保证变速器不会同时换入两个挡，避免产生运动干涉。互锁装置有锁球式和锁销式两种，常用的是锁球式，如图3.13所示。

在3根拨叉轴所处的平面且垂直于拨叉轴的横向孔道内，装有互锁钢球4和6。互锁钢球对着每根拨叉轴的侧面上都制有一个凹槽且深度相等。中间拨叉轴的两侧各有一个凹槽，任一拨叉轴处于空挡位置时，其侧面凹槽正好对准互锁钢球。两个钢球直径之和等于相邻两拨叉轴圆柱表面之间的距离加上一个凹槽的深度。中间拨叉轴上两个侧面之间有通孔，孔中有一根横向移动的顶销5，顶销的长度等于拨叉轴的直径减去一个凹槽的深度。

当变速器处于空挡位置时，所有拨叉轴的侧面凹槽同钢球、顶销都在同一直线上。在移动中间拨叉轴2时，如图3.13（a）所示，拨叉轴2两侧的钢球从其侧面凹槽中被挤出，两侧面外钢球4、6分别嵌入拨叉轴1和3的侧面凹槽中，将拨叉轴1和3锁止在空挡位置。若要移动拨叉轴3，如图3.13（b）所示，必须先将拨叉轴2退回至空挡位置，拨叉轴3移动时钢球4从凹槽挤出，通过顶销5推动另一侧两个钢球移动，拨叉轴1、2均被锁止在空挡位置上。拨叉轴1工作情况与上述相同，如图3.13（c）所示。

从上述互锁装置工作情况可知，当一根拨叉轴移动的同时，另外拨叉轴均被锁止。锁销式互锁装置用一个锁销代替上述两个互锁钢球，当某一拨叉轴移动时，锁销锁止与之相邻的拨叉轴，即可防止同时换入两个挡。

三挡变速器操纵机构有两根拨叉轴，将自锁和互锁装置合二为一，如图3.14所示。

两根空心锁销2内装有自锁弹簧3，在图3.14示位置时是空挡位置，两锁销内端面的距离a等于槽深b，使之不可能同时拨动两根拨叉轴。自锁弹簧3的预压力和空心锁销对拨叉轴起到自锁作用。

不论采用哪种互锁装置，其工作原理都是每一次只能移动一根拨叉轴，其余拨叉轴均在空挡位置不动。

（3）倒挡锁。倒挡锁提醒驾驶员防止误挂倒挡，提高安全性。必须对变速杆施加较大的力，才能挂入倒挡。设有倒挡锁，可防止误换倒挡，避免损坏零件或发生安全事故。多数汽车变速器采用结构简单的弹簧锁销式倒挡锁，如图3.15所示。

它由一个倒挡拨块2、锁销4和弹簧3等组成。锁销4杆部装有弹簧3，杆部的螺母可调整弹簧3的预压力和锁销的长度。要换倒挡时，需用较大的力向一侧摆动变速杆1，推动倒挡锁销4压缩弹簧后，变速杆1下端进入倒挡拨块2才能实现换挡。只要换入倒挡，其拨叉轴就接通装在变速器壳上的电开关，控制报警器响或汽车仪表盘上有倒挡指示灯闪亮，有效地防止误挂倒挡。

2）远距离操纵式变速操纵机构

有些轿车和轻型货车将变速杆布置在转向盘下方的转向管柱上或距变速器较远，它们便不能直接用变速杆拨动拨叉换挡，而必须通过机械杆件作远距离操纵。通常在变速杆与拨块之间增加若干传动件，组成远距离操纵机构，如图3.16所示为较简单的一种，其变速杆2在驾驶员侧旁穿过驾驶室底板安装在车架上，中间通过传动杆4来操纵变速器实现换挡。

对于重型货车组合式变速器的操纵，副变速器多用预选气动换挡，常见的有“机械—气动”和“电控—气动”两种方式。

下面介绍一下预选机械—气动式操纵机构，如图3.17所示。预选开关6位于驾驶员座椅右侧，驾驶员拉出手柄，即预选了高速挡。只有在踩下离合器踏板1时，控制阀5活塞左移，气路才能接通。于是压缩空气自储气罐9经控制阀和预选开关，沿气管10进入换挡气缸11右腔，推动活塞并带动副变速器的变速叉轴左移而换入高速挡。同时气缸左腔的空气沿气管8通过预选开关排到大气中。若将预选开关6推入到底，则预选了低速挡。当踩下离合器踏板时，压缩空气便沿气管7进入换挡气缸左腔，因而活塞右移而换入低速挡。

采用这种预选机构，只有在踩下离合器踏板时，才能使副变速器换挡。这样做的目的是，保证在换挡前分离离合器，以减小副变速器输入端零件的转动惯量，便于换挡。副变速器可单独换挡也可与主变速器同时换挡。