變速箱的作用是什麼？是否可以用油門代替？
一直搞不懂變速箱作用，感覺直接用油門控制速度就可以了，為什麼要用變速箱，作用等同於變速自行車嗎？
本文只討論汽車摩托車，不討論自行車、工程機械、坦克、裝甲車。
基礎概念：本文中的原動機僅指為汽車提供行駛動力的旋轉機械。
變速器的作用：
1、最主要的作用： 通過改變變速器的傳動比，實現擴大原動機的轉速範圍、扭矩範圍，從而充分利用原動機的功率和效率區間。
2、對於不能反轉的原動機還需要變速器實現倒檔。
對於應該最廣泛的活塞發動機，基本上不存在可以實用反轉情況。
3、對於有怠速原動機還需要實現空檔，實現長時間切斷動力。
值得注意的是，有些人認為需要怠速或者不能從零轉速工作的原動機才需要空檔。對於不能從0轉速開始工作的原動機通常用離合器或者液力變矩器才實現平穩起動。
不過在設計上離合器和空檔的理念又各有區別。離合器在設計上更注重平穩接合和可靠傳遞動力，重點是在"合「，只有被操作的時候才是「離」。而變速箱的空檔注意的是可靠分離動力，重點在離。
有沒有不那麼任性的例子呢？直接鏈連驅動的油助力車。就是這種低科技車也很少見了，哪怕是CJ50這種神級老車也都有一個發著叮叮聲的CVT，請注意看傳動皮帶。
為什麼變速器需要實現那些功能，就要從原動機特性上說起。
一、汽車最常用的原動機往複式活塞式內燃機的萬有特性告訴我們：
簡單說一下這個圖含意。橫坐標是轉速，單位是轉/分。左縱坐標是扭矩，用來表示是面那條黑線的值。紅色等功率曲線。藍色線是等油耗曲線，單位是g/kwh，可以換算成百分比制的效率。
這個是外特性圖:
1、轉速低的輸出扭矩較低，中等轉速的輸出扭矩基本不變，轉速再高就扭矩就開始下降，綜合起來就是發動機的輸出功率隨著轉速升高而升高到一個極值後開始下降。
2、燃油消耗率最低的區域只在某一個轉速和油門區域內。
3、內燃機內燃機調速範圍有限，常用的低速柴油機從怠速600RPM~最高轉速2600RPM，一般汽油機怠速800RPM~最高6000RPM（一般發動機）8000RPM~10000RPM（性能較好的），F1發動機怠速1000RPM(大概）~最高19000RPM（大概）。
二、我們需要車的特性。
1、可以足夠慢，大概和人走路差不多，可以足夠快，上得了高速路。還要能爬上足夠的陡坡。
2、低速盡量的加速快，為了儘快加速，還要克服車的慣性需要更大的驅動力。還要能爬上足夠的陡坡。
3、原動機的輸出功率從低速到高速基本不變吧，換一種說法就是充分利用原動機的功率。
4、省油。
三、所以我們需要變速箱。
1、結合一.3和二.1。如果整車只有一個傳動比，就現有的內燃機轉速範圍不能滿足調速要求。滿足低速能上坡，高速就達不到。高速達到了，低速驅動力就不夠。
2、已經需要變速箱了，就把整個內燃機變速器做成一個低速到高速輸出功率都差不多的吧。看下面那個圖，各顏色連線是不是和恆功率差不多了？
把圖放大，看五條細紅線（發動機功率線,對應右邊縱坐標）圍成的包絡線表明，配合好檔位和油門，高過一定車速，功率輸出就成了基本一條直線。
把圖放大，看五條細紅線（發動機功率線,對應右邊縱坐標）圍成的包絡線表明，配合好檔位和油門，高過一定車速，功率輸出就成了基本一條直線。
3、省油啊，有了變速器就可以讓發動盡量的在省油區間工作了。說省油這個事，還要結合萬有特性圖和油耗圖。當車速一定，所需用的發動機功率一定，在萬有特性圖上找到對應的等功率曲線，等油耗曲線和等功率曲線的交點，交點就是某個工況的油耗。
可以看出，在相同功率下，發動機轉速越低油耗率就越低。怎麼能降低發動機轉速呢，降低變速器的減速比吧，當減速比低過一，變速箱就成了超速檔了。
說到功率的利用和省油，在一兩個需求上CVT（無級變速器）可以說是集大成者。需要省油的時候，就讓發動機一直工作在最省油的那個點(實際在標定過程中還要考慮排放），急加速或者爬坡要功率的時候就讓發動機一直工作在最大功率點。但是由於CVT都是利用摩擦來傳遞動力，導致機械效率低，限制了CVT的應用。
四、有沒有滿足二大點要求的原動機呢?
有！
1、外燃機。包括往複式活塞式蒸氣機（就是瓦特改進的那種，沒聽說過火車有變速箱的吧，這貨還有能倒轉），不過這個不省油。蒸氣渦輪發動機Turbine，設計良好的蒸氣渦輪效率也非常高。但是任何精神正常的工程師都不會考慮把這兩貨裝到汽車上，因為實在太重了。如果哪一天核反應堆小型化了，有可以會裝到車上。斯特林發動機，這個雖然理論上很有前景，但是商品化的路上還有很大的距離。
2、燃氣渦軸發動機（Turboshaft）注意是壓氣機是單獨驅動。美軍M1A1坦克就用的這種，但是還是匹配有四速的變速器。
(直升機用的一種壓氣機和輸出軸固連的渦軸，那是因為直升機不需要發動機低速性能，只需要高速能出大功率）
克萊斯勒在六十年代研製的渦輪軸汽車PG02b ENGINE 注意看右下的轉速扭矩圖。這貨也裝了一個三速變速器。
3、電動機。電動機的基本力矩只受機械、電機內部磁飽和、線圈流過電流產生熱量的限制（所以超導材料才有那麼大的前景）。就算是現在大名頂頂的特斯拉在設計時候也考慮過使用兩速變速器。
主要還是為了利用原動機的高效率區間。無論是任何原動機，都只在一定轉速扭矩範圍內具有最高的效率。用了變速器就能更多的利用高效率的區間，從而在動力性和經濟性之間取得平衡。
另外還可以減小噪音。有了變速器就可以讓原動機工作在噪音相對效小的區間內。提高舒適性。
題主問出這種問題，明顯是對機械傳動內燃機等知識毫無頭緒。與其講高深的道理，不如用最簡單的例子說明。如果有興趣，可以再去深鑽。
作用等同於變速自行車？
是的，作用就等同於變速自行車。你的兩條腿就是發動機。自行車輪就是汽車輪。變速箱就等於那兩套前後變速齒輪的組合。
然後你坐上自行車，開始準備起步。
1.起步
前齒輪最小，後齒輪最大，這時候腳踩上去，刷，走嘍。這就相當於汽車掛一檔起步。
如果前齒輪最大，後齒輪最小，這時候腳踩上去，哎喲踩不動啊。有點累。這就相當於汽車掛五檔起步。
當然你的腿使勁兒蹬也許是可以蹬起來的，就類似於你非要5檔起步，使勁兒踩油門唄，6000轉7000轉，甚至10000轉。結果是，1，耗油。你蹬的累啊。2，機器有極限，你拖上個200斤的貨坐后座，那用這個齒輪比就算你腿蹬到斷了，也蹬不起來。
然後你起步了，開始準備直走。
2.平地
前齒輪還是最小，後齒輪還是最大，這時候腳踩上去，刷，走嘍。這就相當於汽車掛一檔。
然後你速度越來越快，而前齒輪還是最小，後齒輪還是最大，這時候啥感覺呢？就是你腿兒要蹬的越來越快，而車速卻沒什麼提升。
如果這時候變速：前齒輪還是最小，後齒輪變小一個齒輪，這時候腳踩上去，還不是很累，但是車速明顯變快。之前你蹬一圈輪子走一圈，現在你蹬一圈輪子走一圈半了。這就相當於汽車掛上二檔了。以此類推，你終於掛上了前齒輪最大，後齒輪最小的檔，車飛速的就奔起來了。
當然你也可以不變速繼續使勁兒蹬，但是效率極低，你蹬的飛快，蹬的腿酸，可是這破車子還是很慢。這就相當於你起步了以後還不掛檔，非要一檔在路上走。發動機轉的飛快，可是車還是不超過20邁。結果是，1，耗油。你蹬的累啊。2，機器有極限，你能蹬多快？
你騎的很開心，可是前面有個上坡。
3.上坡
剛才你騎的飛起，前齒輪最大，後齒輪最小，上坡了，腳踩上去，哎喲踩不動啊。有點累！而且是越來越累！這就相當於汽車掛五檔上坡。
這時候你知道怎麼做了，馬上變速，前齒輪最小，後齒輪最大，這時候腳踩上去，哎，不累了。慢點兒就慢點兒吧。這就相當於汽車降檔上坡
當然你的腿使勁兒蹬也許是可以蹬起來的，就類似於你非要5檔上坡，使勁兒踩油門唄。結果是，1，耗油。你蹬的累啊。2，機器有極限，你拖上個200斤的貨坐后座，那用這個齒輪蹬上坡試試？
這就是騎自行車常見的一些情形。希望題主從這些簡單的例子，看出變速箱的基本作用。汽車和自行車，都是有一個東西輸出能量（肌肉/汽油燃燒），有一個東西調節扭矩（變速器/變速箱），有一個東西輸出能量（輪子），驅動起來的。簡單的說，為了同時滿足扭矩，發動機正常使用的轉速區間和燃油經濟性。注意我沒有說功率，或者馬力，因為簡單的說輸出馬力和變速箱幾檔關係不大。後邊再詳細說。
首先內燃機有一個保持較高輸出扭矩的轉速區間，對於傳統的7000紅線的引擎來說，我可以非常粗略的認為在1000轉-5000轉之間該扭矩變化不大，但是低於1000轉下降超快，低於500的話引擎在有負載的時候可能都維持不了自身轉動，高於5000轉有比較平緩的下降，但是仍然是有效區間。所以我們可用的轉速範圍是1000-7000轉。
好啦，現在要考慮車輛起步。由於內燃機的扭矩通常不會很大，曲柄直接輸出的一般車300Nm算多了。要向讓車正常開走，甚至爬坡，甚至克服障礙，要放大扭矩，這就用到變速箱了。變速箱轉換一個很小的齒輪比，而輸出扭矩=曲軸扭矩/齒比（其實是乘，齒比定義的是我說的倒數= = ，不過懶得改了）這樣輪子上的扭矩就足夠了。這個齒比不同車不一樣，一般來講自動檔的車會比手動擋和雙離合（準確的說一切不帶液力變矩器的變速箱，因為這玩意兒還可以放大扭矩）大一些，那平均是什麼水準？就是說大概1000轉的，並且整個輸出是硬鏈接（沒有滑動）時，車速也就10-14km/h。這是什麼意思呢，就是說你這車，如果就這1擋，開到7000轉，70-98km/h,就爆表啦！
這怎麼能忍？？而且我們知道，其實車子跑起來以後，一方面由於發動機本身扭矩上升，一方面由於開動過程中需求的扭矩會小一些，我們不需要那麼小的齒輪比啦。於是我們增加齒輪比，增加到什麼數兒呢？考慮到我們想讓車，至少理想狀態中可以達到最高速度，那麼必要條件就是，這個檔對應7000轉時的速度要大於，比如說，最高時速200km/h （是車子自身能力能達到的限制，而不是電子斷油的速度），那就意味著這個齒比差不多是1擋的2到2.8倍左右。那我們把這個檔加進去就夠了不？這樣還不夠好，因為齒比發生了1到2.多這麼大的變化，這意味著1.變速箱齒輪重新嚙合時要克服轉速差距較大對應的較大的磨損,2.離合器本身也會承受大一些的衝擊 3.總輸出扭矩越變較大，特別是在全油門加速的情況下，所以加速度的躍變較大，影響舒適感。
解決辦法也簡單，適當多添加幾個齒比平滑一下唄。這其中的規則就複雜了，考慮的因素也比較多。比如對於檔位總數，比較基本的是在成本和體積允許的情況下，盡量多添幾個，傳統手動變速箱和自動擋的這個數正好是4，超過4的話，手動變速箱要往上多添齒輪和對應的機構，增加體積，而自動往上增加技術難度就大了，行星齒輪的整體結構都要改，相應的油路控制什麼。。全變。這就是手動變速箱很早就是現6速了，但是前幾年的時候很多低檔車的自動還是4速。
這還沒問，我們只考慮了轉速範圍和極速的影響，但是車通常都不會開到那麼高速度，而且，由於這種活塞式發動機的轉動阻力和轉速關係很大（即使完美潤滑也是，因為阻力大多來自於吸氣和排氣衝程克服氣壓做功，這神仙也避免不了），我個人感覺是至少成正比，甚至比線性關係還高，而考慮到小變速齒比在供油的時候提升發動機的扭矩，在不供油的時候同等的放大發動機阻力，那麼想維持在一個車速，低檔自然要消耗更多的燃油來克服阻力做功（不光是勻速，基本上大多數高檔低檔都能達到的加速減速狀態，低檔一定費油多）。所以多加幾個檔來省油咯。這幾個檔通常是Overdrive，就是齒比大的導致輸出扭矩反而低於曲柄扭矩了。高速上稍微要加速可能就需要降檔。所以也可以想見，想要衝極速是不可能用的上最高甚至次高檔的。
以上就是需要多檔變速箱的必要原因，你看我從頭到尾確實沒提到馬力的影響。因為輸出馬力、扣除掉的系統阻力，在固定轉速下和檔位無關。而且扭矩和馬力的關係是（曲柄扭矩=曲柄馬力/轉速）唯一對應的，沒必要單獨討論。而且，變速箱真的是主要作用是提供給車輛足夠的"勁兒",這是衡量車能不能加速，能不能上坡的直接決定因素就是扭矩變速箱其實根本沒必要用，都是做汽車的公司偷懶不肯研究。你看飛機就不用變速箱。
說複雜了，簡單說：
現在電動車就沒有變速箱，完全靠油門控制車速。
燃油發動機不能這麼做主要原因：發動機轉速區間小，而且在任何轉速下不能做到恆（最大）扭矩。
簡單的說，第一，每款發動機轉速都是在一定範圍內的，是油門控制從最低和最高轉速，這個範圍滿足不了我們平時開車需要的速度範圍。
第二，光靠發動機自己最大扭矩也是滿足不了我們行駛中是比如上坡啊克服阻力啟動車子啊的需要的。1檔不是單純的讓車子變慢哦，而是能通過輸出大齒輪發出能大的扭矩，滿足車子克服阻力起動和上坡的需求。
還有就是發動機最低轉速不是0，而我們開車車速都是從0開始的。我們不可能瞬間讓車子加速到發動機的最低轉速。
只用通過不同傳動比的齒輪組，才可以進行調整，你是需要更快的速度呢，還是需要更大的力量（扭矩）呢。如果把汽車想像成一個人，低擋，就讓你的車變成大力士，可以爬坡，可以克服起動阻力讓車子跑起來。高檔，就讓你的車子變成飛毛腿，自由自在的奔跑~~~~還有一點，發動機無法倒著轉哦，你還需要倒檔。
題主這麼問，肯定比我更不懂技術。建議自行百度一下變速箱。
而我想說的是，題主的要求技術上早已實現並投入量產了，沒錯，就是傳說中的純電動車。
油門直接控制電機動力輸出，省去了傳統的變速箱。
通俗的講呢就是因為發動機裡面有幾個爐子。
在爐子里燒著一團團的火，4缸的機器呢就燒著4團火，6缸的機器呢就燒著6團火，8缸的呢就燒著8團火，以此類推。
每個缸里有個叫火花塞的傢伙負責點火，有個叫進氣門的傢伙負責往爐子里加油。
一點火，「Boom！」爐子幾乎炸了！！幸虧爐子的底是活的，叫活塞，上面一點火，活塞受不了壓力，紛紛表示壓力很大，拚命往下逃竄。
活塞向下跑，手裡拿著一根叫連桿的玩意兒，用力往下戳一個叫crankshaft的奇怪東西，那東西就轉動起來。小時候玩過打陀螺沒有，你用鞭子死命抽陀螺，陀螺就轉動，有點類似這個樣子。個個爐子輪流點火，大家輪著戳那個crankshaft，它就越轉越快。
這就是汽車動力的來源。
然後，由於爐子里燃燒的速度實在是很快，crankshaft，也就是曲軸，每分鐘最少能轉7、8百，一般要轉2千轉，如果直接把汽車輪子接在曲軸上，那就太快了根本沒法開啊，需要減速。
減速呢，有兩個好處，一是把曲軸的轉速降下來，二是提高扭距。
初中物理就講過槓桿原理。給你一根牙刷，你就能撬動地球，是吧。
變速箱就是一套槓桿，裡面有好多把牙刷，也就是齒輪。
掛在不同的檔位，其實就是讓曲軸連在不同長度的牙刷上。---------------------------------------------
先默認樓主至少是高中生，知道線速度和角速度。
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說一下我的淺顯的理解：
理論上來說，通過油門直接控制速度而不使用變速箱是可以的，比如其它回答中的電動汽車。但是，對於燒油的發動機而言，如果沒有變速箱，那麼：
加速車輛的唯一途徑是通過油門提高發動機轉速，這樣會提高耗油量、增加噪音，並且減少發動機壽命。
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那麼變速箱到底幹了什麼？
Well，我們可以簡化一下汽車的傳動系統：
齒輪A直接安裝在發動機的輸出軸上：A的角速度等於輸出軸的角速度。
齒輪B直接安裝在輪子的動力軸上：B的角速度等於輪子的角速度。
齒輪A和齒輪B相連：A的線速度等於B的線速度。
以上是簡化後的模型。
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如何加速？
使輪子轉得更快。
提高輪子的線速度 = 提高輪子的角速度（因為輪子的半徑不可變） = 提高B的角速度。
Wait a minite...
提高B的角速度有三種方式：
1. 減小B的半徑
2. 增大A的半徑
3. 增大A的線速度，既：提高A的角速度（因為A的半徑不變），也就是提高發動機轉速。
好吧，如果你來設計汽車，你選哪種？反正不是第3種，因為這會增加油耗，提高噪音，減少發動機壽命。
那麼，增大A的半徑或者減小B的半徑？
是滴！
變速箱可以把A換成一個更大的齒輪或者把B換成一個更小的出輪呀。
怎麼換？
Well，離合器先使A和B分開，然後換大或者換小，離合器再將齒輪鏈接在一起。
就這麼簡單，so simple~
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那什麼時候選3？
Well，比如，為了平衡動力性和油耗，規定發動機在3000 rpm之前我們用第3種方案，發動機超過這個轉速後我們換擋咯，也就是選1或者2。
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電動車呢？
電動機這種設備貌似比較高端：
電動機轉的快不一定更耗電，只要提高電壓就行；
電動機轉的快也不一定噪音就大，說不定它的噪音你在車裡根本聽不見；
壽命呢？
這個腦補一下：
安靜而唯美的電流只是在線圈中平穩地流淌，不像汽柴油機內部是真的存在點火爆炸這個過程的。
因此，電動機可以不需要變速箱。跟變速自行車有點像，另外電動汽車是不用變速箱的。
有些答案寫得很詳細，然而並不是每個人都有這麼多時間去看明白的。
我簡單回答一下。
用來匹配轉速和扭矩的，因為內燃機的轉矩特性太差，高轉高扭矩，低轉低扭矩，而牽引需要的轉矩特性是低轉高扭矩，高轉低扭矩，這樣才能啟動快，高速平穩，所以需要安裝一個變矩器去適配，而這個變矩器就是變速箱。
如果使用串勵直流電機或者交流電機的話就可以去掉這個玩意，只要有一個固定減速比的齒輪箱就可以了。
感受下來自電氣工程專業對於熱機深深的惡意吧哈哈樓上說了那麼多 貼了那麼多圖 我猜題主不會耐心到看完吧..
簡單來說 發動機的轉速是很高的 很多情況下遠高於車輪的轉速 顯然二者是不能直接連動的 那麼怎麼解決這個問題？答案很簡單 用齒輪 變速箱其實就是一個大齒輪組 作用就是將發動機的轉速和車輪實際轉速相匹配
齒輪的特性我默認樓主是理解的 當車發動的時候 車輪沒有轉速 但是發動機已經上千轉了 那麼這時候 發動機接入一個很小的齒輪（飛輪） 而傳動軸（就是帶動車輪轉動的）接上一個很大的齒輪 發動機的齒輪轉一圈 傳動軸的齒輪可能才轉了1000/1圈 這就將發動機的高轉速轉化為了車輪可以接受的範圍
而當車速逐步提高的時候 發動機的齒輪就逐步接入半徑不斷變小的齒輪 將自己的高轉速和車輪逐步提高的轉速進行不斷匹配 也就是我們所說的換擋
最後 內燃機的氣缸只能向外做功 推動活塞 而不能向內吸入活塞 也就是說發動機齒輪的旋轉方向是給定的 那麼我們怎麼倒車？答案很簡單 還是依靠變速箱 接入一個反向的齒輪組 就能倒車了
這些就是變速箱的核心功能和設計初衷 至於其他的 那都是後話了。。
怎麼倒車？
簡單打個比方，如果你騎過山地車的話就知道：加速或者上坡用低檔，雖然走得慢但是省力，等速度上去了換高檔可以走得更快。人的雙腿就好比是汽車的發動機。
油門改變的是發動機的輸出功率，發動機每個轉速都有對應的功率和扭矩，這可以從發動機的功率和扭矩曲線圖上讀到。
變速箱改變的是齒輪比，事實上改變的是扭矩，檔位低，扭矩就大，反之亦然。
改變扭矩的原因是車輛在不同行駛狀態需要不同的扭矩。
舉個例子，1500kg的普通轎車，0-100km/h（27m/s）加速需要8秒，以100km/h巡航時發動機輸出功率20kw。這都是一般轎車的參數。
加速階段：按牛頓第二定律，F = m * a = F = m * v / t = 1500 * 27 / 8 = 5062.5 N
巡航階段：F = P / v = 20000 / 27 = 740N
可見這兩種工況扭矩需求差別非常大，但是內燃機的扭矩曲線範圍沒有這麼大，因此在加速的時候需要掛低檔放大扭矩，而巡航時減小扭矩以儘可能省油。
電動機的話，如果是永磁電機，則扭矩曲線隨轉速升高而降低。通過恰當選取磁鋼的磁場強度和繞組參數，能使其在巡航時的扭矩正好符合所需。
像Tesla用的感應交流電機，則控制起來方便得多，定子磁場的旋轉與轉子滑差越大，扭矩越大，通過改變逆變器的輸出頻率就能改變扭矩。
這麼說吧，油門越大，功率越大，功率等於扭矩（扭矩可理解為汽車的牽引力）乘轉速。如果扭矩是固定的（也就是沒有變速箱），油門大小直接和轉速掛鉤啦。跟你的感覺是一樣的，加油就行了，管他什麼變速箱。
問題來了，如果扭矩可以變化（比如有6個檔位），在油門不變的情況下，扭矩變小，速度是不是就大了？扭矩變大，速度就小了。比如爬坡的時候，你必須換到低檔（檔位越小，扭矩越大，汽車牽引力越大）才能上去。而在平坦的路上汽車跑起來之後，不需要那麼大的牽引力，就可以換高檔了，省油！
變速箱不僅僅是為了改變速度啊。一般而言，發動機的轉向都是一定的，實現倒車就只能依賴變速箱了。變速箱還有改變力矩的作用。光靠改變油門改變的只是發動機飛輪的轉速，沒有變矩器和變速箱，車子是啟動不起來的。為什麼要省略變速箱呢？考慮實際應用，發動機怎麼樣都不可能和車輪直接連接的吧。
槓桿原理
買個帶變速自行車騎騎，各種路況騎騎，比較沒有變速的自行車，應該能比較容易明白。
你得要多長的油門行程……
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