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变速箱的工作原理是，利用不同齿数的齿轮啮合、传动组合实现转速和转矩的改变。
变速箱分为手动、自动两种。手动变速箱主要由齿轮和轴组成，通过不同的齿轮组合产生变速变矩。自动变速箱AT是由液力变扭器、行星齿轮和液压操纵系统组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。
变速器是内燃机驱动汽车必要的组成部分。汽车上安装的变速器通常有多个不同的转速/扭矩转换比，通常称为“档位”或“档”，以适应不同的行驶速度下对转速扭矩组合的不同要求。起步时需要低转速、高扭矩；而高速行驶时则需要高转速、低扭矩。
一般来说，需要人工手动操作变换挡位的变速器称为“手动变速器”或“手动挡”，由机械自动变换挡位的变速器称为“自动变速器”或“自动挡”。近来，还出现了可以连续调节转速/扭矩转换比的无级变速器，它也属于自动变速器的一种。
手动变速器（也称手动变速箱）是汽车变速器中最基本的一种类型，其作用是改变传动比（齿轮比），是引擎扭力被变速器齿轮放大的倍数。车辆静止刚起步时，由于本身质量较大，需要较大牵引力驱动，根据杠杆原理，力矩用半径最长的低速挡大直径齿轮把引擎扭力放大，协助车辆开始向前行驶。
车辆行驶后，由于惯性将保持向前方移动，用较小的扭力即可让车辆继续向前行驶，所以换入扭力放大倍数较小，但转速较快的小齿轮高速挡，即可用较少的引擎转速达到相同的车速，不仅省油车速还更快。
在手动变速箱中，飞轮安装在发动机的曲轴上，并随之旋转。离合器位于压盘和飞轮之间，并在压盘的压力下被压在飞轮上。当发动机运转且离合器已接合时，飞轮使离合器片旋转，从而使变速箱旋转。
当踩下离合器踏板时，抛出轴承被激活，这导致压盘停止向离合器盘施加压力。这使得离合器片停止接收来自发动机的动力，从而可以在不损坏变速器的情况下换档。松开离合器踏板后，松开轴承，离合器盘再次保持紧靠飞轮，使其开始从发动机接收动力。
现代汽车手动变速箱通常使用四到六个前进齿轮和一个倒挡。重型卡车和其他重型设备的变速箱通常具有8到25个齿轮，齿轮的范围很广，齿轮比也很接近，以使发动机在功率带中运行。
驾驶员通过踩离合器踏板和操纵换挡杆可以在任何挡位间进行选择。也有少数手动变速器如摩托车变速器，某些赛车变速器，只允许顺序换挡，这些变速器被称为顺序换挡变速器。
对于手动或顺序变速器来说，动力从发动机的曲轴到离合器再到变速箱，变速箱直接输出到驱动轴，驱动轴本身又进入差速器，最后到达差速器至车轮中的最后一个驱动轴。手动变速箱传动顺序：发动机>离合器>变速箱>传动轴>差速器>传动轴>车轮。
手动变速器的操作原理下图所示（从左到右，从上到下，分别为：倒挡，静止挡，第一挡，第二挡，第三挡，第四挡）
离合器用于将发动机与动力传动系统的部分耦合或分离。在发动机不熄火的情况下，安全平稳地换档。离合器是将一部分发动机扭矩和转速传递给传动系统的其余部分，将变速箱的发动机与传动系统部分解耦，最后当它们完全锁定时，将整个发动机扭矩和速度直接物理传输到传动系统的其余部分。
差速器能够使左右驱动轮实现以不同转速转动的机构。当转弯时，转弯外侧的车轮比内侧的车轮行驶更多的距离，这意味着外轮比内轮行进的距离更大，差速器是调整左右轮转速差的装置。例如当汽车陷在泥泞或积雪中时，一个车轮可以自由旋转，因为它没有足够的抓地力，而另一个车轮可在地面上保持静止。
对于自动变速箱传动顺序稍有不同，因为离合器和手动变速箱被扭矩转换器和自动变速箱所替代。自动变速箱传动顺序：减速齿轮>分动箱或中心差速器或成角齿轮>减速齿轮的前驱动轴和后驱动轴。
还有一种变速箱是双离合变速箱，它是通过两套离合器工作的装置。刚开始装配在赛车上，能消除换档离合时的动力传递停滞现象，现在这种双离合器已经从赛车广泛应用到一般家用轿车上。
大众全系车型都安装了6速或者7速双离合变速箱，一些国产汽车品牌甚至把双离合作为新车型的卖点。这些汽车装配双离合变速箱是为了比自动变速器更加平顺地换档，不会有迟滞现象
