手动变速箱原理：剖开模型，亲手换挡看同步器

模型展示了什么

手动变速箱的原理，是让发动机通过一组可选的速比驱动车轮：低挡用来起步和爬坡，高挡用来轻松巡航，发动机始终留在舒适的转速区间。

开着手动挡的车穿过市区，一小时里可能要换几百次挡。发动机最舒服的转速并不会变，车却既能在停车场里慢慢蠕动，也能在高速公路上巡航。让这一切成为可能的，就是离合器和传动轴之间的那个箱子，而这件展品把它剖开给你看。

手动变速箱的原理，可以用这个模型来理解：它是一台 5 挡变速箱，用于发动机前置、后轮驱动的汽车。箱体被切掉了一半。离合器在左边，也就是发动机螺栓固定的位置，输出轴从右边伸出。用 3D 视图角落里的变速杆来换挡。整个过程会被放慢播放，你能看到离合器分离、接合套滑动、黄铜同步环起作用、齿最终锁住。面板上显示每根轴的转速，以及对应的车速。「不踩离合器换挡」让你试一试每位驾校教练都叫你别做的那件事。

为什么发动机需要不止一个速比

汽油发动机大约在 1,500 到 6,000 rpm 的范围内才能输出有用的功率。低于这个范围，它会熄火或发闷；高于这个范围，它就喘不上气。而汽车却要从步行速度加速到远超 100 km/h。如果发动机只通过一个固定速比连到车轮，你可以选一个让车起步有力的速比，也可以选一个巡航安静的速比，但两者不可兼得。

所以变速箱提供了多个速比可选。在 1 挡，发动机每转很多圈车轮才转一圈，扭矩被放大，车就能爬坡起步。在 5 挡，发动机转的圈数比传动轴还少，车在轻松的发动机转速下前进。驾驶员选择的速比，要让发动机在当前车速下保持在舒适的区间。

动力如何通过三根轴传递

顺着动力，从发动机一路看到传动轴。

1. 离合器。 飞轮用螺栓固定在发动机曲轴上。离合器片被膜片弹簧压在飞轮和压盘之间，并以花键连在输入轴上。
2. 输入轴。 它带有一个 23 齿的齿轮，始终与中间轴上的 33 齿齿轮啮合。
3. 中间轴。 一根钢轴，上面切出六个齿轮。它与输入轴转向相反，转速是输入轴的 23 ÷ 33。
4. 输出轴上的齿轮。 中间轴上的每个齿轮都与输出轴上的一个配对齿轮啮合。这些配对齿轮并不固定在输出轴上，它们靠滚针轴承空转，各有各的转速。
5. 接合套。 三个滑动接合套装在以花键连接输出轴的齿毂上。当接合套横向滑过某个齿轮侧面的接合齿，这个齿轮就被锁在轴上，动力便从它通过。
6. 输出轴。 它与输入轴对齐，把动力送回传动轴和后桥。

4 挡是个特例。3-4 挡接合套可以把输入轴上的齿轮直接锁到输出轴上，两根轴一起转，中间轴被绕过。这叫直接挡，速比正好是 1。

3,000 rpm 时的速比和车速

模型里的数字是模型值，选得像一台典型的 5 挡变速箱，并不是照抄某一辆车。每一对前进挡齿轮的齿数加起来都是 56，所以它们都适配同样的轴间距。每个挡位的速比，是常啮合速比乘以它自己那一对的速比：

速比 = (33 ÷ 23) × (输出轴齿轮 ÷ 中间轴齿轮)

要把发动机转速换算成车速，还需要另外两个数。后桥里的主减速比是 43 : 11，即 3.909。轮胎是 205/55 R16，意思是 16 英寸轮辋（406.4 mm），加上两个胎壁，每个胎壁高度是 205 mm 的 55%。这样轮胎直径是 631.9 mm，周长 1.985 m。以 3 挡为例：

车轮转速 = 3,000 ÷ (1.435 × 3.909) = 534.9 rpm

车速 = 534.9 × 1.985 m × 60 ÷ 1,000 = 63.7 km/h

其他几行的算法相同。从一挡到下一挡，速比依次缩小为原来的 1.77、1.55、1.44 和 1.26 分之一。越往高挡，台阶越小，这很常见：高速时空气阻力急剧上升，4 挡和 5 挡之间的小间隔能让你升挡后发动机仍接近最佳转速。从 1 挡到 5 挡的速比跨度是 4.92。

速比如何改变扭矩和车轮处的力

模型不模拟发动机扭矩，所以这个例子借用了一个数。假设发动机在 3,000 rpm 时输出 150 N·m。这是为小型汽油机假定的值，不是实测。在这个转速下它的功率是 150 × 2π × 3,000 ÷ 60 = 47.1 kW，而变速箱无法再增加功率。它做的，是用速度换力。车轮处的扭矩等于发动机扭矩乘以总速比，路面上的推力则是这个扭矩除以轮胎的滚动半径，模型中 205/55 R16 轮胎的滚动半径是 0.316 m。

有两处核对可以说明这张表是自洽的。1 挡时，23.3 km/h（6.47 m/s）下的 7,278 N 正是 47.1 kW，也就是发动机的功率。5 挡时，31.9 m/s 下的 1,479 N 同样是 47.1 kW。力降到原来的五分之一，速度恰好升高同样的倍数。4% 这一列采用美国国家科学院燃油经济性技术报告的数字：手动变速箱的损失约为发动机总输出的 4%，传统自动变速箱约为 13%。对于一辆 1,200 kg 的车，如果轮胎抓得住，1 挡的 7,278 N 意味着 6.1 m/s² 的加速度，但轮胎通常抓不住。起步时的上限来自抓地力，而不是变速箱。

速比还决定了升挡时发动机转速会掉多少。以 3,000 rpm 为起点，1 挡换 2 挡后发动机会降到 1,696 rpm，2 挡换 3 挡后降到 1,941 rpm，3 挡换 4 挡后降到 2,091 rpm，4 挡换 5 挡后降到 2,391 rpm。这些正是同步环要达到的转速，只是方向相反。第一个落差大，因为 1 挡是用来起步的短挡；最后一个落差小，因为 5 挡是高挡。再记一个行车时有用的数字：在 5 挡，模型车每 1,000 rpm 行驶 38.2 km/h，4 挡是 30.5 km/h，1 挡是 7.8 km/h。

为什么齿轮始终不脱开啮合

在模型里，每个齿轮都一直在转，连没有传递动力的也一样。比如在 3 挡，输出轴上空转的 5 挡齿轮转 3,764 rpm，而它下面的轴只转 2,091 rpm。这看起来很浪费，却解决了一个老问题。早期的「撞齿」变速箱里，齿轮本身要横向滑动才能啮合，轮齿必须正对着碰上。在常啮合变速箱里，每一对齿轮的轮齿一辈子都啮合着，只有齿轮侧面的小接合齿需要找准位置进入。

因为齿轮不必滑动着去啮合，它们就可以做成斜齿，也就是与轴线成一定角度的轮齿。模型中的角度是 25°。斜齿从齿宽方向逐渐接触，而不是一下子全部接触，所以变速箱比直齿的安静得多。代价是产生侧向推力：25° 螺旋角时，沿轴方向的力是使齿轮转动的力的 tan 25° = 0.47 倍。变速箱用圆锥滚子轴承或球轴承来承受它。中间轴上轮齿的旋向与配对齿轮相反，这是两个平行斜齿轮能够啮合的必要条件。

换挡时同步环做了什么

难点在这里。你在 41 km/h 从 2 挡换到 3 挡时，因为车还在滚动，输出轴仍以 1,353 rpm 转动。踩下离合器后，输入轴、离合器片、中间轴和所有空转齿轮组成一个松散的整体，仍以前一刻的约 3,000 rpm 转着。输出轴上的 3 挡齿轮也属于这个整体。要无声地把它锁到轴上，输入侧得先降到 3,000 × 1.435 ÷ 2.217 = 1,941 rpm。

这件事由同步环完成。它是一个内侧呈锥形的黄铜环，位于齿毂和齿轮之间。齿轮上有一个与之匹配的钢制锥面。变速杆一开始动，接合套就把环压到锥面上，两者之间的摩擦拖着齿轮，连同整个松散的整体，朝着轴的转速靠拢。在模型里，转速差条会从几百 rpm 降到零。

只要还有转速差，摩擦就会让环相对于齿毂里的键转过一小段。在这个位置上，环周围的锁止齿正好挡在接合套的齿前面，不让它再往前走。所以匆忙换挡会有顿涩感：你推的是一个还没完成工作的环。转速一致后，摩擦消失，环转回半个齿，齿上的倒角引导接合套通过。过一会儿它滑过齿轮上的接合齿，齿轮便锁到了轴上。在真车上，整个过程只要一瞬间。

同步器换挡背后的数字

设计师不会把换挡看成一个单一事件。戴姆勒克莱斯勒的 S. Razzacki 在 2004 年 SAE 世界大会上发表的一篇论文，把同步器换挡分成六个事件。第一个是顶销（一种带弹簧的小键）接触锁环。第三个是接合套齿尖碰到环齿尖，使环在齿毂中转过它那一点点间隙（称为「转位」）。后面的事件是接合套的倒角穿过环的倒角，接合套的齿到达齿轮自己的接合齿。论文把各部分的尺寸定得让这些事件依次发生，并画出撞击区和换挡沉重区。如果锥面作用太小，驾驶员会听到撞击声；如果环锁得太死，变速杆会感觉卡住。

两个扭矩决定一个设计落在哪里。同步扭矩是锥面靠摩擦产生的扭矩。分度扭矩是把环转到锁止位置所需的扭矩，它取决于环齿的角度（称为「指向角」）。Razzacki 和 J. Hottenstein 在 2007 年发表的一篇关于双离合变速器同步器的 SAE 论文，直截了当地写下了这条规则：在换挡的每一个时刻，同步扭矩都必须大于分度扭矩，才能避免撞击或磨齿声；而分度扭矩又必须大于变速器的总拖曳，这样环在齿轮油稠的冷变速箱里仍能锁住。指向角更陡会降低分度扭矩，所以设计师为了省力把它加陡时，可能需要更大的锥面摩擦，才能保证第一个条件成立。

模型省略了顶销，但你仍可以估算锥面要做多少功。以 2 挡换 3 挡为例。输入侧必须从 3,000 降到 1,941 rpm，即 110.9 rad/s。作为示例，假设离合器片、输入轴、中间轴和空转齿轮合起来的转动惯量是 0.05 kg·m²。要消耗的能量是 ½ × 0.05 × (314.2² − 203.3²) = 1.43 kJ。如果换挡用时 0.1 s，锥面必须对这个整体提供平均 0.05 × 110.9 ÷ 0.1 = 55 N·m 的扭矩，并在十分之一秒内把 14 kW 散成热。黄铜环做不了多久这样的事，所以在很多量产变速箱里，转速差最大的低挡位会用多锥同步器。

为什么不踩离合器换挡会打齿

现在打开「不踩离合器换挡」，试着从 3 挡换到 4 挡。离合器没有分离时，输入轴实际上还连在一台正在运转的发动机上。发动机转 3,000 rpm，所以输入齿轮，也就是 4 挡用的齿轮，也转 3,000 rpm。输出轴转 2,091 rpm。同步环得让整台发动机和飞轮慢下 909 rpm，而发动机还在反推，用的只是几厘米宽的一个锥面。它做不到。

于是环停在锁止位置。如果驾驶员用力够大，接合套的齿会在接合齿仍相互滑过时就碰到它们。在 30 mm 半径处，909 rpm 的转速差意味着齿面以 2.9 m/s 的速度掠过，每秒有 424 个接合齿经过。每一个都撞上接合套的倒角再弹回来。这阵咔嗒声就是打齿的噪音，每一轮都会磨圆本该引导接合套的棱边。

同样的算式也解释了为什么老式无同步器变速箱的驾驶员要用两脚离合。踩离合器，变速杆挂空挡，抬离合器，补油门或者等待，借助发动机把输入侧带到合适的转速，再踩离合器，最后才挂挡。驾驶员靠耳朵完成的事，现在由同步环靠摩擦完成。

倒挡和惰轮

两个啮合的齿轮转向相反。中间轴本来就与输入轴转向相反，每一对前进挡齿轮又把它反转一次，所以输出轴与发动机转向相同。要让车倒着走，就得在传动路径里再加一个齿轮。在模型里，中间轴上的 13 齿齿轮带动一个 17 齿的惰轮，惰轮再带动输出轴上的 38 齿倒挡齿轮。惰轮不改变速比，只改变转向。

模型里的倒挡齿轮是直齿。这是通行的做法，也是倒车时会有前进挡里听不到的啸叫的原因。许多变速箱靠把惰轮滑进啮合来挂倒挡，这只有在齿轮静止时才行得通，所以你应该先把车停下。在模型里，5-R 接合套及其同步器会先让输入侧静止，再挂倒挡。

读懂锯齿图

在任何一个挡位里，发动机转速与车速由一条直线联系：发动机转速等于车速除以轮胎周长，再乘以挡位速比和主减速比。「控制」里的「车速与转速」图为每个挡位画一条线。选定一个换挡转速，轨迹就沿着一条线上升到该转速，然后在同一车速下垂直落到下一条线上。这些落差构成了锯齿。

每次落差的大小很容易算。升挡后，发动机转速是换挡转速乘以新旧两挡速比之比，所以落差就是换挡转速乘以 1 减去这个比值。本田思域 Type R 的 2 挡是 2.115，1 挡是 3.625，所以发动机保留原转速的 0.5834。在 7,000 rpm 换挡，它会落到 4,084 rpm。高挡位的速比挨得更近，所以锯齿更小：在模型变速箱里，6,500 rpm 换挡时的落差依次为 2,826、2,293、1,970 和 1,320 rpm。

主减速比和轮胎尺寸会把图沿横向拉伸，但不改变落差。这就是目录可以把没有后桥、没有轮胎的 Tremec TR-6060 速比组放在同一张图上的原因：这时的车速用模型的 3.909 主减速比和 205/55 R16 轮胎，并标注为模型值，而转速落差是精确的。

各挡位车轮处的力

推动汽车的力，等于发动机扭矩乘以总速比再乘以齿轮效率，除以轮胎半径。「车轮处的力」图把每个挡位的这个力对车速画出来，旁边还有一条虚线，表示道路和空气的反推力。某个挡位的曲线与虚线之间的差值，就是剩下用来加速的力；图下方的表把它换算成 m/s²。

厂家只公布扭矩曲线上的两个点，而不是整条曲线：峰值扭矩及其维持的转速范围，以及峰值功率及其转速。图中用直线段连接这些点，并让功率在红线之前基本保持平坦。这是一种近似，屏幕上也这样注明。行驶阻力对每一项都是同一辆模型车：1,400 kg，滚动阻力系数 0.012，风阻面积 0.65 m²。

两件事立刻显现。第一，在 100 km/h，思域 Type R 最强的挡位是 2 挡，6,719 rpm，车轮处约 7.6 kN，大约是 4 挡的 1.5 倍。第二，下一挡的曲线在红线之前几乎从不高于当前挡。要想最快加速，就应该每个挡位都拉到红线。功率在一段转速范围内保持平坦的车是例外：GR Supra 的 4 挡与 5 挡曲线在约 5,900 rpm 处相交。

补转速与两脚离合

降挡时，发动机必须转得更快。在 80 km/h，模型发动机在 4 挡是 2,625 rpm，3 挡需要 3,768 rpm。如果抬离合器时发动机还在较低的转速，离合器就得独自把发动机拖上去，车会被向后拉一下。踩着离合器时短促点一下油门（称为「补油」），先把发动机转速带上去，这就是补转速。「控制」里的补转速实验室让你自己完成这些步骤，并显示你偏了多少、离合器吸收了多少热、顿挫有多大。取发动机转动惯量 0.15 kg·m²（模型值），偏差达到整整 1,142 rpm 时，约有 1.1 kJ 进入离合器。

没有同步器的变速箱，也就是无同步器变速箱，还有第二个问题。输入轴必须先达到合适的转速，齿轮才能挂进去，而踩下离合器后，只有摩擦能让它慢下来。所以老式卡车和早期汽车的驾驶员要踩两次离合器：踩下并退出挡位，在空挡抬起离合器，让发动机带着输入轴，补一脚油把它带到新的转速，再次踩下离合器并挂挡。在实验室里，无同步器变速箱只有在轴的转速与所需转速相差 150 rpm（模型值）以内时才能挂入，否则就会打齿。

起步：滑磨热量去了哪里

从静止起步时，离合器必须打滑，因为发动机在转而车轮不动。离合器锁止之前，离合器扭矩乘以转速差就变成热。起步实验室让你选择保持的发动机转速和离合器传递的扭矩，然后以毫秒为步长运行模型车的 1 挡。

里面藏着一个漂亮的结果。如果发动机在离合器打滑期间保持一个转速，离合器转化成的热量与车获得的动能大致相当。从 3,000 rpm、200 N·m 起步，离合器吸收约 32.5 kJ，车获得约 29.3 kJ 的动能；其余消耗在行驶阻力上。如果改成从 2,000 rpm、180 N·m 起步，热量降到约 14.5 kJ。向离合器要的扭矩超过发动机在该转速下能提供的，发动机就会减速，低于 650 rpm（模型的限值）就会熄火。好的起步介于两者之间：转速足够让发动机保持运转，又不至于把离合器烤焦。

目录里的真实变速箱

目录共有 31 项。其中 18 项是带有公布速比的汽车：本田思域 Type R 和思域 Si，讴歌 Integra Type S 和 Integra 6MT，丰田 GR86、GR Corolla 和 GR Supra 3.0，马自达 MX-5，日产 Z，斯巴鲁 WRX，两款福特野马，以及六款使用 Tremec TR-6060 的车。12 项是 Tremec 的变速箱速比组，最后一项是本页的模型。数字来自厂家自己的新闻资料、宣传册或产品说明书，每一项下面都有来源链接。

有几点很显眼。思域 Type R 和 Integra Type S 的每个速比以及 3.842 的主减速比完全相同。GR Corolla 有两个主减速比，1 到 4 挡为 4.058，5 挡、6 挡和倒挡为 3.450。MX-5 的 6 挡是直接挡（1.000），日产 Z 的 5 挡是直接挡，和模型的 4 挡一样。Camaro SS 的 6 挡是 0.50，所以巡航时发动机的转速只有传动轴的一半。Tremec 给出 TR-6060 的轴间中心距为 85 mm，每个挡位都是双锥或三锥同步器，而模型里每个挡位只有一个锥面。

模型比真实变速箱简单的地方

• 速比是模型值，每一对齿轮的齿数恰好是 56。真实变速箱会调整齿数，并给每一对使用略有不同的螺旋角和模数。
• 真实的同步器在低挡位常有两个或三个锥面，因为那里的转速差最大。模型每个挡位只有一个锥面。
• 把接合套保持在空挡的键、弹簧和定位钢球，以及防止两根拨杆同时移动的互锁装置，都被省略了。
• 轴承、油封和润滑油本身都没有画出。在真实的变速箱里，低挡位的齿轮浸在油里，把油溅得到处都是。
• 离合器间隙画得约为真实尺寸的两倍，这样你才看得清它打开。你踩住踏板时发动机降到 900 rpm，仿佛你的右脚离开了油门。
• 车速按轮胎的标称尺寸计算，忽略轮胎的滑移。载重时的轮胎，滚动半径比标称尺寸小几个百分点。

建立在同样思路上的其他变速箱

福特 T 型车。 福特的这款车在 1908 年到 1927 年使用两挡行星齿轮组。亨利·福特博物馆指出，它的齿轮始终啮合，比当时无同步器的滑动齿轮变速箱更容易换挡。这和手动变速箱走向常啮合的理由相同，只是路径不同。

摩托车。 普林斯顿大学一支学生团队重建了一台 1963 年的凯旋 Tiger Cub，他们描述的结构与模型相同：一根主轴和一根中间轴，拨叉把齿轮沿轴推动。区别在于选挡机构。在那台发动机里，脚踏操作的换挡扇形板移动拨叉板，把拨叉拉开或推拢。后来的摩托车常用带沟槽的鼓来取代它，本田的赛车变速箱就用换挡鼓这样做。无论哪种方式，骑手每次只能升或降一个挡位，这就是它被称为顺序变速箱的原因。骑手放弃了自由选挡，换来了没有选挡槽的变速箱，一个运动的零件就能带动所有拨叉。

赛车。 本田的工程师写道，自 1990 年代初以来，一级方程式赛车的变速箱使用接合式离合器和换挡鼓，原理与摩托车相同，没有同步环。按本田的概括，当时的规则要求有四到七个前进挡，并禁止使用 CVT。接合式变速箱的问题在于一个接合齿与另一个正面碰撞，会损伤齿轮，所以本田车队开发了在换挡过程中不中断发动机扭矩的换挡方式，以及按接合齿之间的空隙给换挡鼓定时的控制器。本田报告说，到 2008 年所有车队都有了换挡时扭矩不中断的变速箱。Xtrac 的商用 F1 变速箱 P1044 标注为七个挡位、顺序选挡、动力不中断，持续输入扭矩 340 N·m。

自动变速器。 传统自动变速器用行星齿轮组取代中间轴和接合套，靠离合器和制动器换挡，并用液力变矩器取代摩擦离合器。采埃孚称其 8HP 八速变速器的四个齿轮组只需五个换挡元件，总速比跨度是 7.0。模型 5 挡的跨度是 4.92，所以自动变速器用更多挡位覆盖了更宽的范围。代价是效率：美国国家科学院的报告给出传统自动变速器效率为 86% 到 94%，手动变速箱的损失约为发动机输出的 4%。

双离合。 双离合变速器保留手动变速箱的布局，但在两根输入轴上用两个离合器，一个管奇数挡，一个管偶数挡。本田 2010 年推出的摩托车双离合页面正是这样描述的：一个离合器管 1、3、5 挡，另一个管 2、4、6 挡。一个挡位在驱动时，下一个挡位已在另一根轴上选好，换挡就是离合器之间的交接。同一份美国国家科学院报告指出，六速湿式双离合最多可比六速自动变速器降低 4.1% 的油耗，但干式离合版本有驾驶性问题，起步的平顺性也很难比得上。

CVT。 无级变速器完全没有挡位的台阶。本田 2020 款 CITY 的变速器在两个带轮之间使用金属推式 V 形带，随着带轮有效直径的变化，速比连续变化。没有齿轮，也就没有什么需要同步，发动机可以在车辆加速时保持同一转速。一级方程式禁止了它，上面引用的规则已经说明。

常见误解

「低挡让发动机功率更大。」 不是的。车轮处的功率是发动机功率减去损失。低挡在低速时给出更大的力，如表所示，也让发动机转得更快，而发动机在更高转速下通常功率更大。

「高挡一定省油。」 只有在发动机不吃力的时候才是。低速时用高挡，会让发动机在高负荷、低转速下工作，油耗可能比降一挡还高，还会让传动系统发抖。

「同步环完成了全部工作。」 它只负责让齿轮和轴的转速一致。切断发动机仍然要靠离合器踏板，这就是模型里「不踩离合器换挡」会失败的原因。

「变速箱里每个齿轮都锁在轴上。」 只有一个是。在模型的 3 挡，输出轴上的空转齿轮靠滚针轴承转动，转速从约 770 rpm（1 挡）到 3,760 rpm（5 挡），没有一个锁在任何东西上。

「4 挡最高效，因为没有任何东西在啮合。」 中间轴上的齿轮仍在啮合，并在油里转动，所以仍会产生一些阻力。直接挡好一点，但不是没有损失。

「两脚离合只是老派做法。」 它是同一件事的人工版本。没有同步器的变速箱的驾驶员今天仍要这样做，接合式赛车变速箱则用传感器和控制器做同样的事。

在屏幕上试一试

1. 把挡位设为 2 挡，再设为 3 挡，观察面板。输入轴应从约 3,000 降到 1,941 rpm。把慢动作调慢，看转速差条在环放接合套通过之前归零。
2. 打开踩住离合器，然后换挡。模型里发动机降到 900 rpm，但离合器片和输入轴仍随车一起转，所以同步环只需要让那个松散的整体慢下来。
3. 打开不踩离合器换挡，从 3 挡换到 4 挡。转速差一行应显示正文里的 909 rpm，提示信息会说发动机仍然连着。然后与正常的 3 挡换 4 挡对比。
4. 把拆开拉到 1，再打开透视内部和部件名称。找到输出轴上的三个接合套，它们分别负责 1 和 2 挡、3 和 4 挡、5 挡和倒挡。
5. 从空挡把挡位设为倒挡，注意输出轴朝相反方向转动，面板上显示它的转速为负。数一数传动路径里多出的那个齿轮。

简史

最早的多挡汽车用滑动齿轮变速箱，齿轮滑动着啮合，驾驶员要自己掐准那一刻。这就是「撞齿变速箱」，名副其实。带接合式离合器的常啮合变速箱让换挡容易了一些，但转速仍要驾驶员自己对准。

来自俄勒冈的工程师厄尔·A·汤普森（Earl A. Thompson）在 1918 年 3 月为一种换挡机构申请专利（1922 年授权），并用多年时间尝试让底特律的汽车厂商感兴趣。他的同步啮合装置在 1928 年的凯迪拉克上投入量产，1929 年凯迪拉克任命他为副总工程师。如今，几乎每一台手动变速箱都在使用同步啮合原理。