卡罗拉手动变速器与自动比较

课程综合实践2—课程拓展研究成果

研究题目：丰田卡罗拉轿车手动变速器结构与性能比较研究

二级学院：汽车技术学院

专业名称：汽车电子技术

班级名称： S713110 学生姓名：任少华

学生学号： 15

指导教师：任献忠

企业指导教师：吕飞鹏

2011年 6 月12 日

目录

丰田卡罗拉轿车手动变速器结构与性能比较研究 (2)

1、引言 (2)

2．自动变速器 (3)

2.1、自动变速器的介绍 (3)

2.2、自动发动机结构 (3)

2.3、自动发动机工作原理 (4)

3、丰田卡罗拉轿车手动变速器 (7)

3.1、丰田卡罗拉手动变速器介绍 (7)

3.2、丰田卡罗拉手动变速器结构 (8)

3.3、丰田卡罗拉手动变速器工作原理 (9)

4、比较结论 (9)

丰田卡罗拉轿车手动变速器结构与性能比较研究

任少华指导教师：任献忠企业指导教师：吕飞鹏

摘要：我主要研究了卡罗拉手动变速器的工作原理，传动路线和它的性能，时论述了对变速器的详细分析，举例做出简单介绍。然后和它自动变速器比较从而反映这2种类型的变速器的优缺点进而让我们大致了解这2种变速器。

关键词：丰田卡罗拉轿车变速器结构性能比较

1．引言

人们通常习惯上说某某车省油,某某车费油，但实际上省油和费油是相对的，并且和汽车的发动机、变速器甚至车重都有重要关系。从这次的油耗测试结果可以看出，不同变速器的节油性是不同的。

手动变速器是最传统、历史最悠久的一种变速器，它具有结构简单、成本低、传动效率高、可靠性高等特点，虽然操作相对复杂但仍被热爱操控的消费者所青睐，也是此次测试中所占比重最大的一种变速器了。普通自动变速器是目前自动挡车普遍使用的变速器形式，它几乎成为自动挡的代名词。和手动挡相比，普通自动变速器在结构和使用上有很大不同。普通自动变速器是通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速的目的。对驾驶者来说，只需要以不同力度踩住踏板，变速器就可以自动进行挡位升降。目前普通自动变速器的基础和市场上应用最广泛的要数4速自动变速器了。手动变速器的这种节油优势建立在开车人拥有熟练驾驶技术的基础上。如果开车人是个新手且驾驶水平不高，又是在城市内开的话，手动变速器就未必会比自动变速器省油了。

2．丰田卡罗拉自动变速器

2．1丰田卡罗拉自动变速器结构组成

自动变速器(AT:Automatic Transmission)是利用车速和负荷(油门踏板的行程)进行双参数控制，挡位根据上面的两个参数来自动升降。AT与MT的相同点，就是二者都是有级式变速器，只不过AT能根据车速的快慢来自动实现挡位的增减，可以消除手挡车“顿挫”的变挡感觉。

丰田卡罗拉自动变速器：变速齿轮机构有三个平行轴主轴、副轴与辅助轴组成。其中主轴上装有三档与四档离合器、三档与四档齿轮一倒档齿轮、主轴惰轮；副轴上装有一档固定离合器、一档齿轮、二档齿轮、三档齿轮、四档齿轮、倒档齿轮、副轴惰轮；辅助轴上装有一档与二档离合器、二档齿轮、一档齿轮与辅助轴惰轮。主轴上的齿轮与副轴、辅助轴上的齿轮为常啮合式齿轮。当离合器动作而使特殊的齿轮相啮合时，就会产生动力。

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液压控制系统包括主阀体、辅助阀体、调整阀体、节气门阀体、伺服器本体，调节阀门本体、调速器及第一／第二集油器组成。其中主阀体包括手动阀、1-2档换档阀、2-3档换档阀、冷凝器释放阀、锁定控制阀、锁定排档阀、3-2档强制降档阀、2-3档油口控制阀、CPC 阀与油泵齿轮。辅助阀体包括3-4档换档阀、4-2档强制降档阀、调速器切断阀、3-4档油口控制阀门、倒档控制阀、2-1档正时阀与会3-2档正时阀。调整阀体包括调整阀、扭力转换气检查阀与锁定正时阀门。伺服器本体包括排档拨叉一体之伺服阀门、节气阀A与B第四排出阀、伺服控制阀及集气活塞。调节阀门本体锁在伺服器本体上，包括调节阀门。节气门阀体包括解除阀门且锁在调整阀体本体上。调速器本体锁在变速器壳体上，接近差速成器总成。

2．2丰田卡罗拉自动变速器工作原理

动变速器是最常见的变速器，它的基本构造用一句话概括，就是两轴一中轴，即指输入轴、轴出轴和中间轴，它们构成了变速器的主体，当然还有一根倒档轴。手动变速器又称手动齿轮式变速器，含有可以在轴向滑动的齿轮，通过不同齿轮的啮合达到变速变扭目的。参数调节部分主要有两方面：一是节气门压力调节阀(简称节气门阀),当节气门开度变大时,加速踏板控制油压升高：二是速控调压阀(又称速控阀),车速升高时,速控油压增大。在电子控制自变器中,这个过程由传感器、ECU、电磁阀来完成。

丰田卡罗拉自动变速器的传动路线

1档：来自发动机的动力通过液力变矩器后，传至输入轴、输入离合器、输入单向离合器（锁止）和前太阳轮，使前太阳轮向顺时针方向转动。由于汽车载荷的作用，与输出轴相连的前排齿圈在汽车起步前转速为0。因此，前排行星齿轮在太阳轮的驱动下按逆时针方向自转，并带动行星架作顺时针方向旋转。另一方面，在后行星排中，后行星轮在齿圈的驱动下作顺时针方向自转时，对后太阳轮产生逆时针方向的转矩，前进档制动带工作，而1/2单向离合器对后太阳轮逆时针方向的转动有阻止作用，因此后太阳轮固定不动，迫使后行星架作顺时针旋转，从而与前排齿圈一起，驱动输出轴转动，汽车起步。起步后，前、后行星排各元件的运动方式依然不变。

因1/2单向离合器不能阻止后排太阳轮作顺时针转动（超越），输入单向离合器不能阻止前排太阳轮作顺时针高速转动（超越）。故在下坡时无法利用发动机的怠速运转阻力来实现汽车的减速。四构件系统中，若存在二个自由度，则动力无法输出。

2档：来自发动机的动力通过液力变矩器后，传至输入轴经2档离合器和前架后圈组件连接，后排行星齿轮在齿圈的驱动下按顺时针方向作自转，因后排太阳轮被前进档制动器和1/2单向离合器固定，故只能驱动行星架及输出轴向顺时针方向转动。由于输入单向离合器不能阻止前排太阳轮作顺时针高速转动，前行星排处于自由状态。发动机的动力全部经后行星排传至输出轴。

因1/2单向离合器不能阻止后排太阳轮作顺时针转动（超越），输入单向离合器不能阻止前排太阳轮作顺时针高速转动（超越）。故在下坡时无法利用发动机的怠速运转阻力来实现汽车的减速。四构件系统中，若存在二个自由度，则动力无法输出。

3档：2档离合器和3档离合器同时结合，3档单向离合器、前进制动器工作。前排太阳轮在行星架及行星轮的驱动下欲作高速顺时针旋转，但被3档单向离合器阻止，只能与行星架同速转动，前行星排被连接成一个整体同速旋转，前进制动器工作但后太阳轮同其他行星机构一起顺时针高速运行，1/2单向离合器超越。从齿圈输出动力至输出轴。后行星排也与输出轴同速旋转，此时，行星齿轮变速器的传动比i=1，即为直接档。

前行星排及后排的齿圈、太阳轮虽被连接成一体，但3档单向离合器F1不能阻止前排太阳轮作逆时针转动，而在行星齿轮变速器反向传递动力时，该太阳轮会作逆时针转动，同时

1/2单向离合器不能阻止后排太阳轮作顺时针转动（超越）故不能利用发动机制动。四构件系统中，若存在二个自由度，则动力无法输出。

*在OD3,4档时，前进档制动带的工作仅准备用于降档至2档，换档过程更容易。

4档：超速档工作时，4档制动器、2档离合器、3档离合器、前进制动器工作。前行星排太阳轮被制动，3档单向离合器超越，前行星架在输入轴的驱动下，使齿圈作超速同向旋转（传动比小于1），将动力传至输出轴。1/2单向离合器超越，后排太阳轮可顺时针自由旋转，后行星排不传递动力。

因4档制动器工作，前排太阳轮被固定，变速器具有反向传递动力的能力，在汽车滑行时可利用发动机制动。

R档：倒档制动器、输入离合器和输入单向离合器工作。前排行星架被固定，发动机动力经输入轴、输入离合器和输入单向离合器传至前太阳轮，经行星齿轮后，带动齿圈作逆时针转动，后排行星架及输出轴也作逆时针方向旋转，从而使得输出轴的转向与输入轴相反，实现了倒档。

图3-23 自动变速器的齿轮机构

行星齿轮的构造，外环为环齿轮、中间为太阳齿轮、被夹在两齿轮中间的为行星齿轮；

利用变速箱内部的油压系统来控制三种齿轮成为主动、被动与固定，例如将某个齿轮固定不转动，一个成主动轮另一个为被动轮，这样输入的转速与输出的转速会有不同齿轮比(例如输入10转而经过齿轮减速比后输出变成5转)，当需要换档时油压系统将3组齿轮的相对位置改变，就能改变相对转速而达到换档的效果

3. 丰田卡罗拉轿车手动变速器

3．1 丰田卡罗拉手动变速器性能配置

变速箱：5挡手动排量：1.6L 官方油5速手动变速器适用车型：丰田卡罗拉GL5MT 采用定轴式齿轮变速传动机构，而日产、丰田及大多数欧美汽车自动变速器采用的是行星齿轮变速传动机构。除液压控制系统外，还增设有电子控制系统，使车辆在各种道路条件下均具有平顺的驾驶操纵性和最佳的档位选择。采用前轮驱动，自动变速器与驱动桥合为一体，动力传递路线短，结构更紧凑。可以提供4个前进档和一个倒车挡.该装置与发动机曲轴成直线排列主要由一个三元件液力变矩器和一个三轴机构组成的电子控制自动变速装置。可见C50到底是80年代的产品，是按照老式化油器匹配设计的，在与拉线节气门发动机匹配还算过得去，但与新型的电子节气门ZR发动机的匹配还有很多不足之处。离合器踏板很难操作，很容易熄火。可以说与ZR发动机配套的离合器是世界上最难操作的离合器之一了，油离很难把握，搞不好就熄火。说是液压控制离合器，说实话比有的做得好的拉线离合器还要重，这主要原因是离合器盘的大小与磨擦盘压力大小的问题。离合器盘大，磨擦盘压力可以做得小，离合器踏板就轻，半联动操作性好，成本高。离合器盘小，磨擦盘压力就要做得大，离合器踏板就重，半联动操作性差，成本低。可见离合器操纵性的问题又回到丰田生产成本上去了。C50变速器最早设计是适用于14英寸钢轮毂的轮胎，现在用于15英寸钢轮毂的轮胎，直径大了，相对扭矩就要更大。C50变速器搭载1ZR发动机120公里/小时的发动机转速为3500转/分，而采用自动变速器的车120公里/小时的发动机转速为3000转/分，可见采用C50变速器的车更适应在100公里/小时以下经济速度行驶，其高速节油性能并不佳。

3．2丰田卡罗拉手动变速器结构

手动变速器(MT：Manual Transmission)采用齿轮组，由于每挡的齿轮组的齿数是固定的，所以各挡的变速比是个定值(也就是所谓的“级”)。比如，一挡变速比是3.455,二挡是2.056,再到五挡的0.85,这些数字再乘上主减速比就是总的传动比，总共只有5个值(即有5级)，所以说它是有级变速器。

手动变速器是最常见的变速器，它的基本构造用一句话概括，就是两轴一中轴，即指输入轴、轴出轴和中间轴，它们构成了变速器的主体，当然还有一根倒档轴。手动变速器又

称手动齿轮式变速器，含有可以在轴向滑动的齿轮，通过不同齿轮的啮合达到变速变扭目的。

图3所示为卡罗拉轿车手动变速器，有五个不同传动比的前进档和一个倒档。变速器壳体从中间分为两半，变速器前壳体与发动机的后端面直接相连，变速器主轴的前端之承在发动机曲轴后端，与副轴一起构成二轴式变速器。变速器中的五个前进档都通过一对常啮合齿轮从主轴传到副轴。主减速器的主动锥齿轮在副轴的轴端，变速器传递扭转矩直接驱动主减速器，而后通差速器传动行星齿轮轴及半轴齿轮，再由两个半齿轮传动驱动轴。主减速器和差速器钧装在前壳体内，离合器总成也装在前壳体的前腔。

图3-3 卡罗拉轿车手动变速器结构示意图

主轴和副轴以及换档拨叉的导轨均靠轴承将一端支承在前壳体在前壳体中，另一端支承在后壳体中。C–50输出两种不同的最终传动比：3.722和4.311。它也提出了两种不同的换档配置：为前轮驱动车，另一个为后轮驱动的汽车。这架C-50是经过了多年的经历。因为年代关系，最后由于换档间隙的移位会产生振动。被C52变速器取代，C-50用于早期mk1（AW11）MR2的车型。当然C-52是稍微新于C- 50，外形相似，仍然共享许多部件。C- 60（6速）则是全新的手动变速器，6速变速器设定了更为理想的齿轮比，增加了发动机大功率输出的机会，也提高了车辆的加速和爬坡能力。同时，通过对变速器齿轮比的调整，车辆的动力输出质量和效果有所提高。

相对于比较普遍的五速手动变速器，六速手动变速器更加优化的齿轮比和结构，使得驾驶者在不同行驶状态下的换档可以更加灵敏和流畅，为驾驶者带来了舒适、顺畅的换档感受。而与自动变速器比如表1所示，手动变速器驾驶乐趣更多，可操控性强。在中低速运行时较省油。低档控制车速的能力较强，在下山和雪地驾驶有优势。而自动档虽然也可以，但是由于是液力耦合比起机械传动的效果要差一些。此外，手

动变速器的维修较容易，费用也相对便宜，在紧急情况下，可以利用启动马达移动不能发动的汽车。

丰田卡罗拉手动变速器的传动路线：

二轴式：输入轴到输出轴

三轴式：输入轴到中间轴在输出轴

表1 C-50手动变速器的齿轮比：

1档2档3档4档5档R档传动比3.545 1.904 1.310 0.969 0.815 3.250 7.722

1）传动轴

传动轴的布置形式通常有两轴式和三轴式两种。通常后轮驱动的汽车会采用三轴式变速器，即输入轴，输出轴和中间轴。输入轴前端借离合器与发动机相联，输出轴后端通过凸缘与万向传动装置相联。输入轴与输出轴置于同一条水平线上，中间轴则与它们平行布置。动力通过齿轮从输入轴传至中间轴再传至输出轴。在许多变速器中输入轴和输出轴能接合在一起，因此动力不必经过中间轴，这时的档位称为直接档。直接档通过单轴传动，传动比为1:1，具有最高的传动效率。即使在不能提供直接档的变速器中，把输入轴与输出轴布置在一条直线上也有利于降低工作时变速器所需承受的扭矩。

输入轴与输出轴置于同一条水平线上，中间轴则与它们平行布置。动力通过齿轮从输入轴传至中间轴再传至输出轴。在许多变速器中输入轴和输出轴能接合在一起，因此动力不必经过中间轴，这时的档位称为直接档。直接档通过单轴传动，传动比为1:1，具有最高的传动效率。即使在不能提供直接档的变速器中，把输入轴与输出轴布置在一条直线上也有利于降低工作时变速器所需承受的扭矩。

2）倒档装置

为了因应停车或其它特殊需求(如"狭路让路"...等)，所设置的倒车档位，且仅有一个档位为了因应停车或其它特殊需求(如"狭路让路"...等)，一般来说，倒档的齿轮比都会跟一档的差不多

3）同步器

在同步啮合变速式中则有同步器的设置，可使两个齿轮在接合前速度先达到一致，此种同步器在所有的手动排档汽车的变速器中都已使用

4）离合器

离合器是可以使两个齿轮分开跟结合的一个机械部分，两个齿轮结合的时候可以传输动力，却没办法变速，所以要靠离合器先把两个齿轮分开，改换齿轮比，再把两个齿轮结合，再继续传输动力

3．3 卡罗拉手动变速器工作原理

变速器利用的是减速器的原理，机械式变速器就是几组不同减速齿轮组的配合，不同减速齿轮组代表不同的档位。低档位速比大，输出扭矩大，加速性好。但输出转速低。高档位速比小，输出扭矩小，加速性差，但输出转速高，高速情况下，不需要很大的牵引力，发动机在较低转速情况下即可保证车辆高速行驶，这样省油。常后轮驱动的汽车会采用三轴式变速器，即输入轴，输出轴和中间轴。输入轴前端借离合器与发动机相联，输出轴后端通过凸缘与万向传动装置相联。输入轴与输出轴置于同一条水平线上，中间轴则与它们平行布置。动力通过齿轮从输入轴传至中间轴再传至输出轴。在许多变速器中输入轴和输出轴能接合在一起，因此动力不必经过中间轴，这时的档位称为直接档。直接档通过单轴传动，传动比为1:1，具有最高的传动效率。即使在不能提供直接档的变速器中，把输入轴与输出轴布置在一条直线上也有利于降低工作时变速器所需承受的扭矩。

4．比较结论

与自动变速器比较

变速器作为汽车动力总成系统中重要的一环，直接决定了一部车的动力输出状况，同时对汽车的操纵性有着最直接的影响。它体现了一款车的技术水平。但却并不见得变速器必须是越先进、越复杂就越好，还是要看具体的情况和需求。

优点

与自动变速器相比较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，当然理论上会比较省油。维修保养上会比自动变速箱便宜。如果愿意以较高成本使用自动手排，则可以兼顾自排的方便性及手排的高效率。引擎煞车的效能较强传输效率比自动变速箱为高，当然理论上会比较省油维修保养上会比自动变速箱

便宜如果愿意以较高成本使用自动手排，则可以兼顾自排的方便性及手排的高效率维修保养成本低，能够带来驾驶乐趣。一般来说，手动变速器的传动效率要比自动变速器的高，因此驾驶者如果技术好的话，手动变速的汽车在加速、超车时比自动变速车快，也省油。装备液力自动变速器的汽车，采用液压操纵或电子控制，使换档实现自动化。在变换变速杆位置时，只需操纵液压控制的滑阀，这比普通机械变速器用拨叉拨动滑动齿轮实现换档要简单轻松得多。而且，它的换档齿轮组一般都采用行星齿轮组，是常啮合齿轮组，这就降低或消除了换档时的齿轮冲击，可以不要主离合器，大大减轻了驾驶员的劳动强度。

缺点

有人会觉得开车骑车的时候还要控制离合器换档非常的麻烦，不习惯的人会常常在马路上熄火

操作不当的话有机会把引擎跟变速箱弄坏

由于自动变速器的结构复杂，相应的维修技术也较复杂，要求有专门的维修人员，具有较高的修理水平和故障检查分析的能力。但这些缺点是相对的，由于大大延长了发动机和传动系统的使用寿命，提高了出车率和生产率，减少了维修费用，自动变速器提高了发动机功率的平均利用率，提高平均车速，虽然燃油经济性有所降低，却提高了汽车整体使用经济性。此外，目前还采用一种带锁定离合器的液力变矩器，在一定行驶条件下，通过采用与发动机的最佳匹配，遵循最佳换档规律，采用变矩器的锁止，使传动效率大为提高。

总的来说手动变速器传输效率比自动变速箱为高，当然理论上会比较省油。维修保养上会比自动变速箱便宜。如果愿意以较高成本使用自动手排，则可以兼顾自排的方便性及手排的高效率可以享受开车的乐趣。

参考文献

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