發揮動力的藝術:TRANSMISSION 傳動與變速 Part 2

變速系統是人類偉大的發明,從第一輛汽車開始,聰明的發明家及工程師便不斷創造各種不同的變速系統。也正因如此,引擎的動力也才得以發揮,車輛的性能才得以突破。

IDEAL ENGINE 概念

IDEAL ENGINE 翻成中文便是完美的引擎,這個概念便是變速箱的源頭。或者可以這麼說,若沒有變速箱,單只有引擎是不完美的。在動力之心:引擎中,我們曾經討論過引擎的馬力輸出曲線,一顆引擎的馬力輸出大略會隨著轉速上升,直到最大馬力出現之後,曲線又會下降。

若沒有變速系統,將曲軸的輸出經過減速之後,直接從輪胎輸出,那麼引擎轉數便會跟著速度開始上升,車速必須到達很快的速度,才有可能產生較高的動力輸出。如此一來,一台搭載有600cc 引擎的車輛,在低速時,引擎可能只發揮了150cc 的加速能力。因此,對於車輛而言,一顆完美的引擎必須在各種車速都能發揮最大馬力來進行加速。也就是說,若想要以這個引擎的最大馬力來作動力輸出,那引擎轉數得是固定的,在此轉數的前、後,馬力都不會是最大值,既然每段車速都有相對的引擎轉數,那麼最大的馬力輸出也是固定的。


若沒有變速箱的設計,一台600cc 的摩托車也無法盡情發揮動力。

工程師所想出的解決方案便是改變每個速度之下,傳動系統的減速比,使車輛有多個減速比(多個檔位)供車輛或是騎士在不同車速時選擇。這個可以改變減速比的部分,便是我們所稱的變速系統。在車輛低速行駛時,便選擇採用較大減速比的檔位,使引擎能在較高的轉數域運轉,輸出大馬力。當引擎轉數過高,馬力輸出開始下降時,則更換檔位,採用稍小的減速比,讓速度可以再度提升。如此一來,引擎便可以控制在所需要的轉數域運作,以控制動力的輸出情形。

在加入變速箱之後,引擎便可以在各車速以接近最大馬力的動力來作輸出,或是以需要的馬力來作輸出。這也大概就是為什麼,我們經常會將變速箱包含在引擎之內,一起統稱引擎了。


引擎之後,緊臨著就是變速箱,圖中便是BMW 的齒比固定式變速箱。

各式各樣的變速系統

傳動與變速要向您介紹兩種主要的變速系統,一種是齒比固定式變速系統,通常利用齒輪組來搭配完成。第二種則是CVT 連續變速系統,以V 型皮帶及普利盤為主要元件。以下,便要先為大家介紹齒比固定式變速系統。

齒比固定式變速


圖中靠近下方的兩個軸分別為主軸及副軸,擔當動力的輸入及輸出。

這裡所稱的齒比固定式變速系統便是指一般的手動變速箱的設計,相對於CVT 連續可變系統,每個檔位的齒比皆是固定的。當然,變速箱也可以透過更換齒輪對的方式來調校變速箱,改變整體輸出曲線。

在齒輪箱中,可以看到以下幾個主要的機械元件:

  • 主軸:負責變速箱的動力輸入,於離合器相接,動力源自於引擎曲軸輸出。
  • 副軸:負責變速箱的動力輸出,輸出動力至小齒盤,在經由傳動系統輸出至後輪。
  • 齒輪組:由幾對減速比不同的齒輪組構成,不同減速比的齒輪對便代表了不同的檔位,兩顆齒輪分別串在主軸及副軸之上,形成完整的配對。
  • 撥叉:撥叉是用來控制齒輪在軸上的橫向移動,達到變速的功能。也就是說,變速時,齒輪只是在軸上進行橫向運動而已。
  • 變速鼓:圓柱形的凸輪,用來控制撥叉的移動。當騎士操作打檔桿時,每踩一下,變速鼓就會轉動一個角度,撥叉也會跟著移動至定位。
  • 打檔桿:打檔桿便是騎士操作變速箱的介面,透過勾或踩來轉動變速鼓,達到變速的功能。

變速原理

在變速箱中,最重要的便是變速齒輪所搭配出的變速功能,但究竟變速箱是怎麼運作的呢?
首先,變速箱內的各基本元件在先前已經作了詳細的解釋了,以下,便以一顆六速的變速箱來作解釋。變速箱內有主軸及副軸,上面分別串著六顆齒輪,且兩兩成對,互相咬合,共十二顆齒輪。這十二顆齒輪中,並非每一顆齒輪都與軸相結合。在主軸上,只有C1、C3、C4 及C6 齒輪與軸相結合,也就是說只要主軸轉,以上的四顆齒輪便會跟著轉動。其他剩餘的兩顆齒輪C2 及C5 只是掛在主軸之上,可以自由空轉。在副軸上,情形正好相反,只有D2 及D5 齒輪與軸相結合,其他的四顆齒輪是可以自由地在軸上空轉的。

如此一來,雖然兩根軸上皆串有六顆齒輪,但在上述的情形之下,兩顆軸是可以互不影響,自由轉動的。這同時也是空檔的狀態,不論引擎曲軸以多少速度轉動,並不影響後輪的停止或是運動。

當騎士抓起離合器同時採下打檔桿入檔時,控制C3 及C4 的撥叉便會將兩顆齒輪(兩顆齒輪是一體的)往C2 齒輪靠近,使兩者結合,同步轉動。此時,動力便會經過C2 及D2 齒輪組,從主軸傳至副軸,以驅動輪胎。而C2 及D2 兩顆齒輪的齒數比,便是主軸及副軸轉速的比例。

在本設計中,撥叉還另外控制了齒輪D2 及齒輪D5,而控制撥叉在何時移動的就是變速鼓了。騎士每進行一次打檔變速,變速鼓就會轉動固定的角度,而撥叉便隨著變速鼓上的凹槽來控制上述齒輪橫向移動,達到變速功能。

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