汽车手动变速器六档设置的必要性分析

王青刚

摘 要：手动变速器是使用手拨动变速杆改变变速器内的齿轮啮合位置，进而改变传动比，改变发动机传到驱动轮上的转速和转矩，完成原地起步、爬坡、转弯、加速等功能。而六档的设置不仅可以提升换挡和行驶的平顺性、降低汽车的燃油消耗量、提升发动机的使用寿命，还能够更好地适应现代城市道路的实际交通现状和车主高速道路行驶的客观愿望等，因此六档（前进挡）的设置就显得尤为必要。

关键词：手动变速器 六档 设计

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 常见汽车五档手动变速器的类型和特点

手动变速器（简称MT）又称机械式变速器，即必须用手拨动变速杆（俗称"挡把"）才能改变变速器内的齿轮啮合位置，改变传动比，用来改变发动机传到驱动轮上的转速和转矩，在原地起步、爬坡、转弯、加速等各种工况下，使汽车获得不同的牵引力和速度，同时使发动机工作在较为有利的工况范围内。

手动变速器有很多优点：可以给汽车驾驶爱好者带来更多的操控快感;传输效率比自动变速箱为高，在同排量发动机条件下，比液力自动变速器省油;构造较简单，维修保养比自动变速箱便宜、耐用程度比自动变速箱好;工艺相对成熟，制造成本低，价格便宜;可靠性較高等。同样手动变速器也有一些缺点：换挡时需要同时控制离合器、换档手柄和油门，使得驾驶员操作负担大，特别对于新手，易造成驾驶员紧张，影响行车安全;控制离合器技术不纯熟者常常在马路上熄火，特别是上坡操作不当的话有机率把引擎跟变速箱弄坏;手动变速器属于纯力学机械结构，故增加档位必会造成体积和质量的增加等。

手动变速器由变速传动机构、变速器壳体、操纵机构组成。变速传动机构可按前进挡数或轴的形式不同分类。按照前进挡数可以分为三档、四档、五档、多档变速器;按照轴的形式可以分为固定轴式（齿轮的旋转轴线固定不动）和旋转轴式（齿轮的旋转轴线也是转动的，如行星齿轮变速器），其中固定轴式手动变速器可以根据轴数的不同，分为两轴式、中间轴式、双中间轴式、多中间轴式。

2 五挡手动变速器使用性能设计的不足

2.1 换挡的平顺性

换挡的平顺性与同步器的啮合关系密切，同步器是靠摩擦力矩的作用来实现主动齿轮与从动齿轮的同步啮合，而摩擦力矩产生的冲击力是换挡产生卡滞影响换挡的平顺性的主要因素，摩擦力矩产生的冲击力取决于手柄上的换挡冲量SL'，SL'=（SL是变速器从动部分惯量，k为换挡器和变速器的总换挡杠杆比），其中K增大则换挡的的平顺性增加，故5档手动变速器的换挡平顺性低于6档的手动变速器。

2.2 动力输出设计

五档手动变速器的档位设计大多数厂家设计都不一样，大多情况是1档位设计时速为0-20km/小时，2档位设计时速20-30km/小时，3档位设计时速为30-40km/小时，4档位设计时速为40-50km/小时，5档位设计时速为60km/小时以上，每个档位设计均能够满足汽车各种工况和路况的普遍需要。但是，汽车在低速、中速、告诉时对动力的输出要求是不同的，低速行驶时要求输出动力大、尤其是起步时要求输出扭矩要足够大;中速行驶时输出动力较低速行驶时小，但也需要满足各种路况对车辆行驶时的动力要求;高速行驶是输出动力较小，主要是要保证足够的行驶速度和安全，通常在高速行驶时速为60km/小时以上时，要保证车辆行驶速度主要依靠增加燃油供给量来实现。在高速公路行驶时对动力的输出的要求与普通路面也不相同。随着我国基础建设越来越好，许多路面的质量也越来越好，这就对汽车的动力输出与对时速输出提出来新的的客观需要。

2.3 高速行驶时的燃油消耗

五档手动变速器在高速公路行驶中，当车速超过80km/小时时，只有通过加大油门增加燃油供给量来提高汽车的行驶速度，在120km/小时高速行驶时，发动机转速通常在3000rad/min以上，随着车速的提升和发动机转速的提高，燃油消耗也随之大幅增加。

2.4 发动机的使用寿命

汽车发动机长时间的高速运转，往往增加了运动零部件的磨损，缩短了发动机的使用寿命。而传统的五档手动变速器在高速车速超过80km/小时时，只能通过增加燃油供给量来提高发动机转速，进而提升车速来满足高速行驶的需要，这就使发动机长期处于3000rad/min以上的转速，不仅增加了燃油消耗率，而且增加了发动机的磨损，进而缩短了发动机的使用寿命。

3 六档设置的必要性分析

3.1 六档的档位设计更符合现代道路交通的实际情况。

六档的设计为1、2、3、4、5、6等六个前进挡。其中1档位设计时速为0-15km/小时，满足车辆起步时并不需要过高的车速，动力输出是关键;2档设计时速为15-30km/小时，主要满足低速行驶的需要，如在城市车辆拥堵等情况下具有更好的操控性、平顺性和经济性，还使司机不会因为频繁得2-3档之间换挡而增加心里的烦躁，增强了道路行驶的安全性和处理事故发生的概率;3档设计时速为30-50km/小时，满足汽车中速小时的需要，目前许多城市路段的设计中存在限速40-50km/小时的规定，而将3档设计在此范围更符合现在城市道路的实际情况，根据人性化;4档设计时速为5-70km/小时，满足许多县道、省道和过道路段60-70km/小时的限速规定，使驾驶员操控车辆简便而不繁琐，有利于减少车辆超速违规给老百姓带来的不便和压力，也有利于交通事故和安全事故的减少;5档设计时速为80-100km/小时，方便在高速道路行驶时的进入和转出，同时在非超车道行驶时保持必要合理的车速，增加了车辆行驶速度的可控性和安全性;六档设计时速为100km/小时以上，具体上限由厂家根据道路交通法等合理设计。

3.2 六档设计的优势有利于提高车辆的平顺性和经济性

六档的设计具有更好的操控性，更科学的转速比和动力输出，提升了车辆换挡的平顺性，改善了发动机功率输出的平顺性，保证足够的行驶速度和安全的同时，使车辆高速行驶时更具可控性，在提升车辆行驶速度时还可以通过六档来降低发动机的转速，不仅有利于提高发动机的使用寿命，也改善了发动机燃油消耗的经济性。同时也更符合现代社会发展因为基础设施建设质量的大幅提高，道路状况已经今非昔比，对汽车的现实需求也有利于六档手动变速器的推广和普及。

4 六档手动变速器的设计与改进

1.根据变速器的档位进行传动比的设计

结合实际情况进行计算手动变速器传动比i（i=n1/n2=z2/z1），改變变速器的扭矩输出和转速，满足汽车正常行驶时对扭矩和行驶速度的需要，更好的好的适应不同行驶要求时的扭矩输出和转速，使汽车始终保持着最佳的动力性和经济性，并满足各种形式速度和扭矩的要求。

2.根据换挡过程中变速器齿轮的受力进行齿轮模数、齿厚等参数的设计。

包括压力角、齿宽、变位系数、节圆直径、基圆直径、分度圆直径等，确保所有参数的精确度，满足汽车行驶过程中变速器齿轮的强度和可靠性。换挡时其变速器的转动比会发生改变，变速器齿轮系统体积缩小是轻量化设计的关键点。

3.根据变速器体积、重量等要求进行齿轮材料的选择

合理选择齿轮与齿轮箱的材料，在强化齿轮可靠性的基础上遵循轻量化设计理念，提高机械式变速器的可靠性。基于此，可以将机械式变速器齿轮体积之和最小作为轻量化设计的目标函数，建立其于齿轮齿轮宽度、分度圆直径的函数模型，并分析其有效性和适宜性。之后，基于变速器挡位传动比之间存在的关系，转化出包含相关基本参数的函数。最后基于具体的约束条件对目标函数进进行求解，实现汽车变速器系统体积的缩小，同时满足轻量化设计和可靠性设计对材料的要求。

5 结论

随着现代社会的不断向前发展，人们对汽车的需求也越来越理性，手变速器的后期使用成本低廉、维修保养方便、使用寿命长、更具驾驶品味等独特的魅力对有车一族的吸引力有增无减，因此六档手动变速器的推广和普及必将在今后的手动变速器中成为主流。

参考文献：

[1]《汽车底盘构造与维修》 刘成 初长宝 王锐 北京工业大学出版社 2017年11月.

[2]《企业与科技发展》 2016年第六期“乘用车手动变速器换档平顺性开发研究”李健卓 陆凌云 韦炜.

[3]《汽车机械式变速器优化设计实现路径分析》 王彦婷.

[4]《机械设计》 美 罗伯特.诺顿著 机械工业出版社 2015年11月.

[5]《机械原理》 毕艳、刘春编著 清华大学出版社 2014年8月.