手動檔為什麼不用行星齒輪？

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既然行星齒輪有種種優勢，那麼手動檔不用行星齒輪又是出於什麼原因呢？

2017年9月12日，刪了老回答全部重答，因為發現行星齒輪結構的手動擋歷史上用過！

行星齒輪變速箱曾經是手動擋發展歷史上很重要的一個流派，雖然佔比不高，但是全球第一款流水線汽車——福特T型車就用的這種變速箱。

這款變速箱使用了一個行星齒輪，提供兩個前進擋。

控制這個變速箱非常麻煩，需要三個踏板和一個操縱桿，其中踏板是這樣的：

最左邊的踏板選擇兩個前進擋位，其中高速擋就是1:1的直接擋，中間踏板選擇倒擋，最右的踏板是在變速箱上做制動，T型車沒有輪上制動。

這個網頁做了個動畫教你怎麼開福特T型車：Model T Ford Transmission Explanation

反正非常麻煩！

下面解釋下為什麼變速箱歷史上會出現這樣的流派。

Duryea Power Company，一家早已消失在歷史長河中的美國汽車公司，聲稱他們公司發明了這種車用兩擋行星齒輪變速箱，時間是在1897年。

在那個年代，齒輪技術其實還相當落後。現代同步器也還沒有發明，軸線式變速箱用的都是直齒，不但換擋有很大噪音，連正常行駛都有噪音。行星齒輪的換擋是通過制動帶（Brake band）來完成的，同步過程腳踏板可控，避免了軸線式變速箱同步過程的齒輪敲擊噪音，另一方面車輛在固定擋位行駛的時候，行星齒輪上有更多齒來承擔負載，行駛噪音也更小。

行星齒輪變速箱最致命的問題就是單個行星齒輪只能提供兩個前進擋。當時的技術條件沒法製造多排行星齒輪提供更多擋位。

在1909年的時候，市場上接近1/10的車型都採用了行星齒輪變速箱。但是到了1913年，就只剩福特這一家了。這一年美國市場上3擋車型佔了61%，四擋車型佔了17%。2擋車型已經越來越沒有市場了。

1927年，一代傳奇福特T型車落幕。行星齒輪型手動變速箱也離開了汽車的歷史舞台。至少我沒搜到之後量產車型有用行星齒輪的手排變速箱了。

但是！工程師的腦洞是可以繼續開的。GM在2007年發表了一篇專利，發明了一個行星齒輪式6擋變速箱！(https://www.google.com/patents/US20070107543，翻牆不便的可以搜美國專利US20070107543 A1)

我們知道自動變速箱需要控制很多個離合器，那麼手動變速箱怎麼實現只用一個排擋桿來控制行星齒輪呢？藉助這個專利，我們可以來滿足一下自己的好奇心。

三排行星齒輪！32表示接到變速箱殼體。36、38、40、58就是用的傳統同步器，其中36、38、40都有兩個位置，包括一個Neutral位置（圖中B）和一個Active位置（圖中A），58有三個位置包括一個Neutral（圖中A）位置和兩個Active（圖中B和C）位置。每一個擋位，都需要有兩個同步器掛到Active位置上面。

下圖是個擋位的同步器狀態，紅色X表示掛入Active位置，黑色X表示掛入Neutral位置，虛線框內是相鄰擋位應該如何切換同步器狀態，除了1-2之間只需要改變一個同步器狀態，其他擋位都需要改變兩個同步器狀態。

下面我們來看看最關鍵的部分，怎麼用一個排擋桿控制同步器組合。

上面這個是操縱機構，60A、62A、64A、66A這四個凹槽就是排擋桿用來選換擋的。這四個凹槽可以拉動四個換擋板60、62、64、66，和手動擋的排擋桿一樣四個凹槽可以選上中下三個位置。比如把66A拉出來就是下圖這個樣子：

繼續看上面的圖，每個換擋板上都有四條凹槽，對應四個換擋撥叉。每塊板把凹槽做成不同的形狀，就能控制不同的撥叉位置，把同步器接合成不同狀態了。

比如62這塊板，上面的三個位置分別對應1擋、空擋、2擋。見下圖：

從上面位置拉倒中間位置後，36、58這兩個同步器被拉到空擋，繼續往下拉，36同步器再次接合，58同步器則掛入另一頭，於是完成1、2升檔。其他換擋類似。

比如3擋4擋換擋板：

5擋6擋換擋板：

因為每次換擋都要進空擋，跟普通手動擋一樣，所以在不同換擋板之間切換，跳擋完全沒有問題。

為什麼市場上見不到這種車型呢？實在是這麼做成本有點高。在有了同步器，齒輪變成斜齒，以及齒輪加工精度進步之後，軸線式變速箱早期幾個比較大的缺點都已經不是問題了。

我真的服了GM了，寫得這麼好，你們倒是造一個出來給大家玩玩啊，養工程師開腦洞真的好么~

自行車的手動擋有用行星齒輪的呀……

比如 Rohloff 500/14：

以上圖片皆來自 Rohloff 官網。

尤其可以參見他們的 Gear steps、Planetary gear system、Shifting mechanism 幾個章節。

這種在官網上工整地公開自己的設計的精神簡直是國際主義精神呀！

UPDATE：

今天看了一下 Rohloff 的主要競爭對手 Pinion 的官網，發現他們的 18 速變速箱更喪心病狂，使用直排齒輪和行星齒輪混合的策略……

行星齒輪最大的缺點就是精度高，製造難度大，成本高。而汽車的變速器對於體積的限制並不大，所以大可以使用便宜的齒輪系來實現。但是某些場合，有體積限制，就只能使用行星齒輪了。比如大貨車和坦克常用的輪邊減速器。

來源沒事上點圖-輪邊減速器

其實從本質上講，行星輪和齒輪組，自動和手動是兩個範疇。

比如齒輪組加手動控制，就是MT；齒輪組加自動控制，就是AMT或者DCT；行星輪加自動控制，就是AT。

行星輪加手動也不是沒有，這種變速箱叫做動力換擋變速箱。這種變速箱在轎車上基本沒有應用，但是裝載機（鏟車）基本都是這種。換擋的時候不用踩離合，直接撥到相應的檔位。

至於轎車為什麼不用，我感覺應該是成本的原因。動力換擋變速箱的每個檔位都對應一組離合器。這些離合器和手動擋里的離合器不同，是常分離的，那組接合就是哪個檔位。

接合離合器需要很大的力量，況且必須持續施加力量，直接用槓桿推是不現實的。一般都是用液壓或者電子。

可是如果都做到這份上了，幹嘛不加上一個控制模塊就是自動擋了，誰會買一個比自動擋便宜不了多少的手動擋啊？

Zf,美池都有行星齒手動變速箱

目前轎車沒有。但是工程機械用手動行星齒輪變速的不要太多。我正修理的水泥路面銑刨機是液力變矩器+雙排辛普森行星輪+取力器，手動直線變速桿三速。

因為這些車輛工況是極低速大扭矩，譬如這銑刨機不僅要驅動履帶讓自身行走，還要推著刀輪承受切削水泥路面的切削力。要求驅動扭矩極大，若採用平行軸變速箱體積會很大。而且它的成本也不是特別敏感。

別的不說，手自一體的車，你用手動模式不就是行星齒輪的手動擋么？

行星齒輪結構有三種鎖止方式，內圈，外圈，行星齒輪組。每種鎖止根據輸入軸不同會有兩種速度出來。比如鎖止內圈，輸入軸在外圈，輸出軸在行星齒輪組，和，輸入軸在行星齒輪組，輸出軸在外圈。一種是減速一種是加速。那麼可以乘出來有六種組合，但是鎖止行星齒輪組的兩種都是反向轉動，所以理論上有兩個倒檔四個前進檔。如果兩組行星齒輪串聯就可以獲得更多的組合。

那麼，困難在哪裡？

對於一組而言，要實現這些檔位組合，內圈或者外圈一會兒要能被鎖止在框架上，一會要能作為輸入軸，一會兒要能作為輸出軸。不是說不可能，但是結構實在過於複雜，我腦補了半天也沒想出來該如何實現手動切換…

如果我沒記錯，96式坦克就是行星齒輪變速箱。