Type to search

國內新聞 汽車百科 汽車常識 機/腳踏車

發揮動力的藝術:TRANSMISSION 傳動與變速 Part 1

在之前的機械單元中,我們討論了摩托車的動力心臟—引擎。接下來,我們則要帶領大家離開引擎,進入動力輸出的下一個階段,也就是傳動及變速系統。有了傳動系統,引擎的動力才得以從曲軸一路傳遞至後輪。有了變速系統,引擎的動力才能適時地在不同的速度域發揮。究竟這變速系統的原理是什麼,又有哪些傳遞動力的方式呢?馬上進入我們本期的主題—傳動與變速。


有了傳動系統,引擎才能將動力輸出至後輪,使車輛加速。

為什麼需要傳動?

傳動系統便是傳遞引擎動力的媒介,藉由傳動系統,引擎所輸出的扭力才能從輪胎發揮,真正將車輛加速。文字敘述很簡單,但其實傳動系統是非常重要而且聰明的。如果沒有了傳動系統,那引擎便得放置在後輪旁,直接將曲軸與後輪相接,作動力輸出。如此一來,車輛的重心便會偏在後方,操控性能會大幅度降低。

有了傳動系統之後,引擎便可以放置在前、後輪胎的中間,維持前、後輪相近比例的荷重,而BMW 也才能在摩托車上設計水平對臥式引擎。設計水平對臥式引擎時,BMW 的工程師為了將引擎的優點完全發揮,必須將引擎直放,也就是曲軸將與車身平行。以一般直列四缸的引擎配置來看,曲軸的方向是垂直於車身方向的,或者說,曲軸的旋轉方向,和輪胎是一樣的。但以水平對臥式引擎來看,傳動系統就必須將動力輸出方向作一次直角的轉向,如此一來,輪胎才會往前轉。


為了發揮水平對臥式引擎的優點,BMW 的摩托車得將引擎直放。

減速比

傳動系統除了傳遞動力之外,也必須透過減速比適當地調整動力輸出。若是將引擎轉動的力量直接傳遞至後輪上,則當引擎轉一圈時,後輪也必須轉一圈。換算之後,當引擎以5,000 rpm 旋轉時,十七吋的輪胎也以同樣速度旋轉時,直線的速度便約是600 km/hr。這樣的速度顯然是太快了,因此需要經過齒輪組等具有類似功能的機構來作減速。

動力在經過減速之後,雖然速度變慢了,但扭力卻會跟著放大,這也就是機械單元的動力之心:引擎介紹中,所談到曲軸扭力及輪上扭力的差異。若引擎可以在5,000 rpm 輸出2 公斤米的扭力,則經過減速至2,500 rpm 之後,扭力理論上可以放大至4公斤米。但因為動力在傳遞過程中會有損耗,例如摩擦損耗等等,因此實際量測的數據會稍微低一些,也就是傳遞效率的問題。

各式傳動

傳動系統通常利用以下幾個常見機械元件來作搭配,首先是常用於仿賽車及一般街車款的鏈條、齒盤系統,用於速克達的皮帶、普利盤系統,美式巡航車所使用的齒型皮帶傳動系統,BMW 旅行車所使用的軸傳動系統。以上所列舉的各種傳動方式,均各有優、缺點,也適合不同車款,再來會作簡單的介紹。

鏈條與齒盤

鏈條與齒盤所組成的傳動系統是當今最常見的,在仿賽車上幾乎清一色使用這一類型的傳動件。動力經過引擎及變速箱之後,便傳遞至驅動軸上的小齒盤,再藉由鏈條傳遞至後輪軸上的被動大齒盤。小齒盤的齒數及大齒盤的齒數可看做是齒輪的齒數,換算成減速比,因此鏈條及齒輪在搭配之後,動力還可以獲得一次扭力放大。

 

齒盤與鏈條互相搭配的好處在於傳動效率高,可承受的扭力也大,在搭配良好的系統中,效率可以高達95% 以上,是相對較好的設計。維修方便也是這類傳動的優點,不需拆解任何零件,利用眼力觀察,齒盤及鏈條的磨耗也可以被輕易地檢查出來。鏈條及齒盤重量輕盈,尤其齒盤可以使用鋁合金製品,使整體轉動慣量降低,不會增加車輛加速時的負擔。

在缺點方面,鏈條、齒盤為金屬互相接觸,除了互相磨耗之外,也會帶來震動。因此在起步或是再加速的情況下,會帶來較為惱人的生硬感。也正因如此,以長途騎乘為主打的休旅、巡航車種,會盡量避開鏈條及齒盤的傳動系統。


鏈條構造簡單,卻可以傳動較大的動力,是目前最常見的設計。

皮帶與普利盤

皮帶與普利盤則是速克達常見的傳動系統,除了傳遞動力之外,還可以兼作變速系統。這裡所指的皮帶是V 型皮帶,利用兩旁的V 型斜面與普利盤接觸的摩擦力來傳遞動力。利用普利盤的開合情形調整皮帶的位置,可以製造不同的減速比達到變速功能,因此也可以作為變速系統。

 

這類型的系統組合除了可以加入變速的功能之外,也可以搭配離心式離合器,使駕駛只需要操作油門,便可以使車輛行走。整個系統利用摩擦力來進行動力傳遞,因此會有動摩擦及靜摩擦的轉換來使整體動力傳遞更加柔順,增加舒適度,但也限制了傳遞動力的效率及最大傳遞扭力。動力的傳遞效率大約在80% 至90% 之間,若是在變速的情況之下,傳遞效率則會更低。


YAMAHA 的YCC-AT,將無段變速的CVT 改為可以進、退檔的有段系統。

軸傳動

軸傳動型式的系統大量使用在汽車上,原因是可以輕易地設計大動力的傳動系統,只要將傳動軸的直徑增加即可。在摩托車上,只有少數的休旅車種選用軸傳動系統,雖然成本會比鏈條、齒盤系統增加許多,但優點是動力傳遞較為柔順,不會有鏈條的震動。

齒型皮帶及皮帶輪

最後要提的則是齒型皮帶及皮帶輪的設計,這類型的設計常被HARLEY-DAVIDSON 的美式巡航機車所使用。這裡的皮帶並非利用摩擦來與皮帶輪接觸,而是採用類似鏈條及齒盤的設計,在皮帶上設計齒數,與皮帶輪上的凹痕相嵌合。此型的系統,也經常用於引擎氣門系統的正時機構之上。


除了美式巡航車之外,BMW 也在F800S 上使用齒型作為傳動元件。

為什麼需要傳動?

傳動系統便是傳遞引擎動力的媒介,藉由傳動系統,引擎所輸出的扭力才能從輪胎發揮,真正將車輛加速。文字敘述很簡單,但其實傳動系統是非常重要而且聰明的。如果沒有了傳動系統,那引擎便得放置在後輪旁,直接將曲軸與後輪相接,作動力輸出。如此一來,車輛的重心便會偏在後方,操控性能會大幅度降低。

有了傳動系統之後,引擎便可以放置在前、後輪胎的中間,維持前、後輪相近比例的荷重,而BMW 也才能在摩托車上設計水平對臥式引擎。設計水平對臥式引擎時,BMW 的工程師為了將引擎的優點完全發揮,必須將引擎直放,也就是曲軸將與車身平行。以一般直列四缸的引擎配置來看,曲軸的方向是垂直於車身方向的,或者說,曲軸的旋轉方向,和輪胎是一樣的。但以水平對臥式引擎來看,傳動系統就必須將動力輸出方向作一次直角的轉向,如此一來,輪胎才會往前轉。


為了發揮水平對臥式引擎的優點,BMW 的摩托車得將引擎直放。

減速比

傳動系統除了傳遞動力之外,也必須透過減速比適當地調整動力輸出。若是將引擎轉動的力量直接傳遞至後輪上,則當引擎轉一圈時,後輪也必須轉一圈。換算之後,當引擎以5,000 rpm 旋轉時,十七吋的輪胎也以同樣速度旋轉時,直線的速度便約是600 km/hr。這樣的速度顯然是太快了,因此需要經過齒輪組等具有類似功能的機構來作減速。

動力在經過減速之後,雖然速度變慢了,但扭力卻會跟著放大,這也就是機械單元的動力之心:引擎介紹中,所談到曲軸扭力及輪上扭力的差異。若引擎可以在5,000 rpm 輸出2 公斤米的扭力,則經過減速至2,500 rpm 之後,扭力理論上可以放大至4公斤米。但因為動力在傳遞過程中會有損耗,例如摩擦損耗等等,因此實際量測的數據會稍微低一些,也就是傳遞效率的問題。

各式傳動

傳動系統通常利用以下幾個常見機械元件來作搭配,首先是常用於仿賽車及一般街車款的鏈條、齒盤系統,用於速克達的皮帶、普利盤系統,美式巡航車所使用的齒型皮帶傳動系統,BMW 旅行車所使用的軸傳動系統。以上所列舉的各種傳動方式,均各有優、缺點,也適合不同車款,再來會作簡單的介紹。

鏈條與齒盤

鏈條與齒盤所組成的傳動系統是當今最常見的,在仿賽車上幾乎清一色使用這一類型的傳動件。動力經過引擎及變速箱之後,便傳遞至驅動軸上的小齒盤,再藉由鏈條傳遞至後輪軸上的被動大齒盤。小齒盤的齒數及大齒盤的齒數可看做是齒輪的齒數,換算成減速比,因此鏈條及齒輪在搭配之後,動力還可以獲得一次扭力放大。

 

齒盤與鏈條互相搭配的好處在於傳動效率高,可承受的扭力也大,在搭配良好的系統中,效率可以高達95% 以上,是相對較好的設計。維修方便也是這類傳動的優點,不需拆解任何零件,利用眼力觀察,齒盤及鏈條的磨耗也可以被輕易地檢查出來。鏈條及齒盤重量輕盈,尤其齒盤可以使用鋁合金製品,使整體轉動慣量降低,不會增加車輛加速時的負擔。

在缺點方面,鏈條、齒盤為金屬互相接觸,除了互相磨耗之外,也會帶來震動。因此在起步或是再加速的情況下,會帶來較為惱人的生硬感。也正因如此,以長途騎乘為主打的休旅、巡航車種,會盡量避開鏈條及齒盤的傳動系統。


鏈條構造簡單,卻可以傳動較大的動力,是目前最常見的設計。

皮帶與普利盤

皮帶與普利盤則是速克達常見的傳動系統,除了傳遞動力之外,還可以兼作變速系統。這裡所指的皮帶是V 型皮帶,利用兩旁的V 型斜面與普利盤接觸的摩擦力來傳遞動力。利用普利盤的開合情形調整皮帶的位置,可以製造不同的減速比達到變速功能,因此也可以作為變速系統。

 

這類型的系統組合除了可以加入變速的功能之外,也可以搭配離心式離合器,使駕駛只需要操作油門,便可以使車輛行走。整個系統利用摩擦力來進行動力傳遞,因此會有動摩擦及靜摩擦的轉換來使整體動力傳遞更加柔順,增加舒適度,但也限制了傳遞動力的效率及最大傳遞扭力。動力的傳遞效率大約在80% 至90% 之間,若是在變速的情況之下,傳遞效率則會更低。


YAMAHA 的YCC-AT,將無段變速的CVT 改為可以進、退檔的有段系統。

軸傳動

軸傳動型式的系統大量使用在汽車上,原因是可以輕易地設計大動力的傳動系統,只要將傳動軸的直徑增加即可。在摩托車上,只有少數的休旅車種選用軸傳動系統,雖然成本會比鏈條、齒盤系統增加許多,但優點是動力傳遞較為柔順,不會有鏈條的震動。

齒型皮帶及皮帶輪

最後要提的則是齒型皮帶及皮帶輪的設計,這類型的設計常被HARLEY-DAVIDSON 的美式巡航機車所使用。這裡的皮帶並非利用摩擦來與皮帶輪接觸,而是採用類似鏈條及齒盤的設計,在皮帶上設計齒數,與皮帶輪上的凹痕相嵌合。此型的系統,也經常用於引擎氣門系統的正時機構之上。


除了美式巡航車之外,BMW 也在F800S 上使用齒型作為傳動元件。

離合器

不論是速克達或是所謂的打檔車都需要有離合器的設計,使車速為零時,輪胎可以和引擎分離,才不會使引擎在車輛停止時熄火。一般速克達是使用離心式離合器,是根據引擎轉數來自動控制的,不需要騎士操作,在稍後的內容中會詳細介紹。在這裡,我們主要探討的是需要騎士控制的離合器機構。
 
離合器的最大功能就在於切斷及接合引擎的曲軸所輸出的動力,一般的變速箱設計中,曲軸的動力在經過第一次減速比之後,便來到離合器。經過離合器之後,才是變速齒輪組,再來才由傳動系統輸出至後輪。因此,當離合器切斷動力時,從變速齒輪開始直至後輪都不會有動力驅動。反過來說,離合器切開時,騎士轉下油門,提升引擎轉數也不會影響車速。除此之外,離合器還有重要的功能便是使車輛起步。當車輛停止時,輪胎的轉動速度便為零,此時必須利用離合器的摩擦力,以引擎的動力逐漸帶起車速,並維持引擎的最低運轉速度,才不會熄火。這樣的過程,也就是所謂的半離合,或稱動摩擦的狀態。簡單地說,離合器在此的功能便是調和前端(引擎)及後端(後輪)之間的轉數,最後接合兩者。
 

離合器機構,由離合器片及摩擦片所組成。
 
在離合器的結構中,可以主要分成兩部分,第一是離合器片,第二是摩擦片。在圖片中,離合器片及摩擦片便是交叉放置,七片摩擦片便放置在八片離合器片之間。離合器片上附著黃色的來令,藉此和摩擦片產生摩擦力,當黃色的來令耗盡時,則會產生離合器力量不足,需要更換以維持性能。在形狀上,離合器片則是在外圍長有齒型的突起形狀,剛好與離合器外蓋的齒槽接合。而摩擦片則在內緣設計凹狀的齒槽,與離合器內轂設計的凸槽相接合。
 
從圖表中可以看到,離合器外蓋接合了離合器片,並且與曲軸相連結,屬於驅動端。而離合器內轂則與摩擦片接合,與變速箱連結,屬於被動端。當離合器拉桿是放鬆時,另一個稱為離合器壓板的元件以彈簧將離合器片及摩擦片壓在一起,使主動端與被動端接合。而當離合器拉桿被壓下時,壓板便鬆開,使離合器片及摩擦片兩者能相對地自由運動,動力也就被切開了。
 

DUCATI 在旗下高階車種皆採用乾式離合器,增加性能表現。

濕式與乾式

瞭解了離合器的基本作動原理,讀者大概還會想問到,常聽到的濕式離合器及乾式離合器究竟代表什麼意義呢?這裡所談到的濕式離合器便是指整組離合器機構泡在潤滑油(齒輪油),以潤滑油來幫助離合器片與摩擦片完全分離,獨立旋轉。潤滑油還可以使兩者在摩擦時,可以更滑順地接合,另外也有散熱的功能。
 

乾式離合器則是相反的設計,整組離合器機構並不泡在油中,甚至直接外露在空氣中,方便散熱。因為少了潤滑油,乾式離合器的接合力道十分強勁,常使用在競賽車種之上,車輛起步需要更高的離合器操作技巧,否則會在接合的瞬間熄火。想了解更多關於傳動與變速系統的知識嗎?MOTO7 機械單元,發揮動力的藝術:TRANSMISSION 傳動與變速,將會繼續為大家深入介紹傳動系統。

授權轉載自:Moto7

標籤:

你也許會喜歡

Leave a Reply