变速箱是什么？它的核心原理是什么？
变速箱，也被称为变速器或波箱，是现代车辆动力传动系统中的一个至关重要的组件。它通常位于发动机和驱动桥（或驱动轮）之间。简单来说，变速箱的主要功能是将发动机输出的动力（包括转速和扭矩）进行调整，以适应车辆在不同行驶状态下的需求。
发动机的特性是其转速和扭矩输出范围相对有限，并且在某个特定的转速区间才能达到最高效率或最大功率/扭矩。然而，车辆在起步、加速、匀速行驶、爬坡等不同工况下，对驱动轮的转速和扭矩要求是截然不同的。例如，起步和爬坡需要较大的扭矩来克服惯性和阻力，但此时车速较低；而高速巡航时，则需要较低的扭矩和较高的转速来维持车速并提高燃油经济性。
变速箱的核心原理在于利用不同大小的齿轮相互啮合，通过改变齿轮的齿数比（即传动比），来改变输入轴（连接发动机）和输出轴（连接驱动轮）之间的转速和扭矩关系。
- 当小齿轮驱动大齿轮时（例如，车辆起步时选用的一档），输出轴的转速会低于输入轴，但输出扭矩会大于输入扭矩（俗称“扭矩放大”）。这被称为减速增扭。
- 当大齿轮驱动小齿轮时（例如，高速巡航时选用的高档位或超速档），输出轴的转速会高于输入轴，但输出扭矩会小于输入扭矩。这被称为增速减扭（或超速）。
- 当输入轴和输出轴直接连接或通过相同大小齿轮连接时（例如，手动变速箱的某些高档位），传动比接近1:1，转速和扭矩基本不变。
总的来说，变速箱通过提供不同的传动比，使得发动机可以在相对高效或有利的转速区间内工作，同时为驱动轮提供所需的扭矩和转速，从而实现车辆平稳起步、高效加速和经济巡航。理想情况下，变速箱改变了扭矩和转速，但理论上传递的功率（功率 = 扭矩 × 转速）扣除内部损耗后是基本不变的。
为什么车辆需要变速箱？仅仅靠发动机不够吗？
正如前面提到的，车辆之所以需要变速箱，是因为发动机的输出特性与车辆实际行驶需求之间存在不匹配。发动机，特别是内燃机，其有效工作转速范围相对狭窄。
例如，一台汽油发动机可能在怠速时转速很低（如800-1000 RPM），但此时输出扭矩很小，不足以推动车辆起步。它的最大扭矩通常出现在中等转速区域（如3000-4500 RPM），而最大功率可能出现在更高的转速区域（如5000-6500 RPM）。如果在发动机低转速时直接驱动车轮，车辆将无法克服静止惯性或坡道阻力而移动。
另一方面，车辆在起步时需要非常大的驱动扭矩，车速为零或很低。在高速行驶时，发动机转速可能很高，但车轮转速更高，所需的驱动扭矩相对减小。
如果发动机不经过变速箱直接连接到驱动轮：
- 车辆将无法起步，因为发动机在低转速下扭矩不足，且直接连接会导致“憋死”发动机。
- 即使能勉强移动，起步和加速过程将极其缓慢和困难。
- 无法实现低速大扭矩（爬坡、载重）和高速低扭矩（巡航省油）之间的切换。
- 发动机将无法在其最高效率或最佳性能的转速区间工作，导致燃油经济性差、排放物增加、性能低下。
因此，变速箱就像动力传输链上的一个“调节器”，通过齿轮组合提供多级或连续可变的传动比，使得发动机能够在适合其自身工作的转速范围内运转，同时满足车辆从静止到高速、从平路到坡道等各种工况下的动力需求。
变速箱通常安装在车辆的哪个位置？有多少个档位？
变速箱在车辆上的具体安装位置取决于车辆的驱动形式：
- 前置后驱 (FR) / 前置四驱 (F4)：变速箱通常直接连接在发动机后方，通过传动轴将动力传递到后桥或前后桥的差速器。
- 前置前驱 (FF)：发动机和变速箱通常集成在一起，形成一个称为“变速驱动桥”（Transaxle）的单元。这个单元既包含变速箱功能，也包含差速器功能，直接驱动前轮。
- 中置/后置发动机 (MR/RR)：变速箱也常与发动机集成或紧密相连，并将动力传递到后轮。
所以，无论哪种布局，变速箱总是位于发动机和驱动桥/驱动轮之间，负责调整发动机输出的动力特性。
关于变速箱的“档位”数量：
传统的有级变速箱（如手动变速箱、大部分自动变速箱、双离合变速箱）通过选择不同的齿轮组合来提供固定数量的传动比，每一个传动比就是一个“档位”。现代车辆的有级变速箱档位数量呈增加趋势，以提供更绵密的传动比，使发动机更容易维持在最佳工作区间。
- 手动变速箱通常有4、5、6个前进档，甚至7个（高性能跑车）。
- 自动变速箱（AT）的档位数量近年来显著增加，从早期的3、4个发展到5、6、8、9甚至10个前进档。
- 双离合变速箱（DCT）通常有6、7个，有些高性能车型甚至有8个档位。
- 自动机械变速箱（AMT）基于手动变速箱，所以档位数量与原型手动箱相同。
无级变速箱（CVT）则没有固定的“档位”。它能在一定范围内提供连续可变的传动比。虽然许多CVT为了模拟传统变速箱的换挡感觉或在特定情况下提供更直接的加速响应，会设定一些模拟的“档位”点，但这并非真正的齿轮档位，而是控制系统预设的传动比值。
档位数量的增加使得车辆在各种速度下都能更接近发动机的最佳工作点，提高了燃油效率和驾驶平顺性。例如，更多的档位意味着发动机在加速过程中转速变化更小，换挡冲击更轻微。在高速巡航时，可以挂入更高的档位（传动比小于1），降低发动机转速，从而节省燃油。
不同类型的变速箱是如何工作的？它们原理上有什么不同？
根据换挡方式和内部结构的差异，常见的车用变速箱主要有以下几种类型：
手动变速箱 (Manual Transmission – MT)
工作原理：手动变速箱是最传统的类型。其核心是一系列固定在输入轴、中间轴（或反向轴）和输出轴上的齿轮。这些齿轮分为主动齿轮和从动齿轮。输入轴与发动机相连，输出轴与传动轴或差速器相连。不同的前进档位是通过将输出轴上某个特定的从动齿轮与输出轴锁止来实现的。
- 齿轮组：各档位的齿轮对是固定不变的，齿轮之间始终相互啮合或保持适当间隙。
- 同步器 (Synchronizer)：这是手动变速箱实现平顺换挡的关键组件。在挂入某个档位之前，输出轴上的待结合齿轮与输出轴是分离的。同步器通过摩擦作用，迅速将待结合齿轮的转速与输出轴（或同步器套）的转速调整一致。
- 结合套/滑套 (Dog Clutch)：一旦转速同步，同步器套（或结合套）会滑动，将待结合齿轮与输出轴（或通过同步器套与输出轴）刚性地连接起来，从而传递动力。
- 换挡机构 (Shift Mechanism)：由换挡杆、换挡拉索/连杆和换挡拨叉组成。驾驶员操作换挡杆，通过拨叉推动同步器套移动，实现档位选择和结合。
驾驶员需要操作离合器踏板来暂时中断发动机与变速箱之间的动力连接，以便在不损坏齿轮的情况下进行换挡。
自动变速箱 (Automatic Transmission – AT)
工作原理：自动变速箱的核心是液力变矩器 (Torque Converter) 和行星齿轮组 (Planetary Gear Sets)。它无需驾驶员手动换挡和踩离合器。
- 液力变矩器：取代了手动变速箱的离合器。它通过液体（ATF自动变速箱油）传递动力。在车辆起步和低速时，变矩器可以实现扭矩放大；在正常行驶时，它主要作为动力传递装置，部分工况下通过锁止离合器实现刚性连接以提高效率。
- 行星齿轮组：是AT实现不同传动比的关键。一个基本的行星齿轮组包含太阳轮、行星轮及其架和齿圈。通过控制（用离合器片或制动带）锁定或释放行星齿轮组中的某个元件（太阳轮、行星轮架或齿圈），可以获得多种不同的传动比，包括前进档和倒档。
- 离合器和制动器 (Clutches and Bands)：用于控制行星齿轮组中元件的锁定和释放。它们通常是液压控制的。
- 液压控制系统/电子控制单元 (ECU)：根据车速、节气门开度、发动机负荷等信号，自动控制液压阀门，进而控制离合器和制动器的接合与分离，实现自动换挡。现代AT广泛采用电子控制，换挡更精确、平顺。
AT的换挡过程是自动完成的，驾驶员只需操作油门和刹车。
无级变速箱 (Continuously Variable Transmission – CVT)
工作原理：CVT与有级变速箱通过固定齿轮对改变传动比不同，它能在一定范围内提供连续不断变化的传动比。
- 主要组件：通常由两个可变直径的带轮（或锥盘）和一条钢带（或链条）组成。一个带轮连接输入轴（发动机），另一个连接输出轴（驱动轮）。
- 可变直径带轮：每个带轮都由两个锥形盘组成，它们之间的距离可以通过液压系统控制改变。当两个锥盘靠近时，钢带在其上的半径变大，有效直径增加；当两个锥盘分开时，钢带半径变小，有效直径减小。
- 传动比变化：通过同时调节输入带轮和输出带轮的有效直径，可以改变输入轴和输出轴之间的速比。例如，要获得低速大扭矩（大传动比），就让输入带轮有效直径变小，输出带轮有效直径变大；要获得高速低扭矩（小传动比），就让输入带轮有效直径变大，输出带轮有效直径变小。由于这种直径变化是连续的，所以传动比也是连续变化的。
CVT的优势在于能让发动机始终工作在最经济或最有利的转速区域，理论上可以实现最佳燃油经济性和平顺性（没有换挡冲击）。
双离合变速箱 (Dual-Clutch Transmission – DCT)
工作原理：DCT可以看作是两个独立的、通过自动化控制的“半个”手动变速箱集合在一起。它拥有两个离合器。
- 双离合器：一个离合器负责控制奇数档位（1、3、5、7等），另一个离合器负责控制偶数档位（2、4、6、8等）和倒档。
- 双输入轴：通常有一个实心输入轴和一个套在实心轴外面的空心输入轴，分别连接两个离合器。
- 工作流程：当车辆以某个档位（例如1档）行驶时，与当前档位（奇数档）对应的离合器结合。同时，变速箱的控制系统会预先选择好下一个可能使用的档位（例如2档），并让与2档对应的齿轮处于待结合状态，但其对应的离合器（偶数档离合器）处于分离状态。当需要升到2档时，奇数档离合器迅速分离的同时，偶数档离合器迅速结合，整个换挡过程非常快且动力中断时间极短。降档原理类似。
DCT结合了手动变速箱的高传动效率（刚性连接）和自动变速箱的便利性，换挡速度快，动力传递直接，常用于追求运动性能和燃油效率的车型。
自动机械变速箱 (Automated Manual Transmission – AMT)
工作原理：AMT是在传统手动变速箱的基础上，加装了由电脑控制的液压或电动执行机构，来自动完成离合器的分离与结合以及选档和换挡的动作。
- 基础结构：与普通手动变速箱相同，内部是齿轮对、同步器等。
- 自动化组件：包括自动离合器控制机构（控制离合器分离与结合）和自动换挡机构（控制换挡拨叉移动）。
- 控制：ECU根据传感器信号（车速、转速、油门等）判断换挡时机，并控制执行机构进行换挡操作。
AMT的结构相对简单紧凑，成本较低，传动效率接近手动变速箱。但由于其换挡过程本质上还是模拟人工操作手动变速箱（先断动力，再换挡，再结合动力），换挡时通常会有比较明显的顿挫感，平顺性不如AT或DCT。
总而言之，不同类型的变速箱都在试图解决同一个问题——如何有效地匹配发动机的输出与车辆的行驶需求，但在实现这一目标的原理和技术路径上各有特色，由此带来了不同的驾驶体验、效率、成本和复杂性。
