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CVT變速原理、機械結構|TRANSMISSION 傳動與變速

一般打檔車至少需要操作油門、離合器及打檔桿才能使摩托車正常的行駛,但對於使用CVT無段變速系統的速克達而言,騎士只要操作油門便可以讓摩托車順利的起步。反過來說,原來打檔車上必須有的離合器及換檔機構,CVT無段變速系統中也都具備了,並且會自動的運作。


CVT無段變速系統。

CVT無段變速系統

這類型傳動系統的優點在於操作簡單,是非常容易上手的傳動變速系統,皮帶及普利盤所組合的變速系統有著較輕微的頓挫感,能維持相當好的舒適性,也少了鍊條所產生噪音。CVT系統唯一令人詬病的,便是傳動效率相對較低,尤其是當傳動進行變速時,皮帶所能傳遞的效率最低。


採用CVT變速的速克達,操作簡單,就算不熟悉機車的新手也能輕鬆上手。

CVT系統除了用在一般的小型速克達之外(排氣量在250c.c.以下)目前也用在排氣量高達650c.c.的車款。例如SUZUKI及YAMAHA都分別推出了大排氣量的速克達,除了強調長途旅行功能,也推出以運動性為主打的車款。只也顯示了CVT系統在不斷改進之後,運作效率越來越好,所能承受的動力也不斷突破。


使用皮帶作為傳動的CVT變速在經過改良之後,也可以對應中排氣量的引擎。(圖中為SUZUKI Burgman 650)

認識CVT


曲軸端:

引擎在爆炸行程之後,動力經由曲軸直接輸入CVT系統中。曲軸端可以說是整套CVT系統的動力來源。

驅動盤組:

驅動輪盤組裝置於曲軸端上,雖然是被曲軸帶動,但對於整體CVT傳動系統而言,卻是將扭力輸入的主要元件。分解驅動輪盤之後,可以看到機構內藏有許多普利珠,是整個變速系統的關鍵元件,也稱為傳動前組。

皮帶:

CVT系統中所使用的皮帶是屬於V型皮帶,利用兩側的橡膠面與普立盤摩擦產生驅動力量。由於皮帶本身有彈性,因此可以消弭引擎的震動或是變速時的頓挫感。一般而言,皮帶的傳遞效率大約在80%至90%,但在變速時,效率會更低。

離心式離合器:

圖中可以看到離心式離合器的外蓋,也就是俗稱的碗公。起步時,當引擎傳遞過來的轉速達到設定值後,離心式離合器才會逐漸接合,帶動車輪向前進。

被動盤組:

後驅動輪盤接受皮帶所傳來的扭力,其動力在經過一、兩次減速之後,直接對後輪軸輸出。在整個變速機制中,後驅動輪屬於被動反應,但當傳動系統有大扭力輸入時,後驅動輪繪有類似退檔的機制,使減速比增加,讓加速反應更好。

在無段變速CVT的系統中,具備有以下幾個功能:

傳動功能

CVT系統除了可以變速之外,也兼具了傳動系統的功能,負責將引擎曲軸輸出的動力,傳遞至後輪。由於各車廠引擎配置不同,也連帶使得曲軸及後輪軸的距離有所差異,因此設計CVT系統時,必須考慮兩軸之間的長度,選擇適合的皮帶尺寸。


CVT傳動系統主要以V型皮帶搭配前後盤組,作為變速及傳動的機構。

變速功能

CVT系統的第二功能就是「變速」,以普利盤搭配V型皮帶的設計,根據車速的增減,連續變化出各種不同的減速比。除此之外,讀者可能還有所不知,CVT系統除了可以根據車速來調整減速比之外,也可以根據騎士所需要的加速情形,來調整CVT變速的狀態。

離合器作動原理


圖中便是CVT系統中的離心式離合器。

跟一般打檔車相比較,駕駛CVT系統的速克達並不需要操作離合器。原因便在於CVT系統中融入了「自動開閉」功能的離合器設計,使車輛在紅燈停止時,引擎並不會熄火,仍可以怠速進行運轉。當車輛起步時,CVT中的離合器再次接合,帶動車輛。

CVT怎麼變速?

介紹完一些CVT系統該有的元件及整體的功能之後,接下來我們要個別的來看CVT的細部工作元件,瞭解這些元件是如何運作。


CVT的變速原理便是圖中的普利珠及滑槽的相互搭配。

普利珠與普利盤

其實便是之前所提及的驅動盤組,就是所謂的普利盤、普利外盤(風葉盤)與普利珠,V型皮帶被兩盤所夾持,而夾持力量所衍伸出的摩擦力便是帶動加速的力量。變速的關鍵便在於風葉盤與普利盤的開閉程度,也因為兩盤位於傳動的前端也有人稱此組合為傳動前組。


V型皮帶被兩盤所夾持。

在傳統的CVT系統之中,一切都必須是依照力學原理自行作動的,不需仰賴任何其他外力來驅動。而控制普利盤開合的便是普利珠。當引擎處於低轉速時,普利珠尚未有足夠的離心力使其甩出,因此兩盤中間的縫隙有著較大的距離,皮帶也因此處於較接近軸心的地方,以模擬低檔位,高減速比的狀態。在加速的過程,當引擎轉數越來越高時,普利珠便會被向外甩開,同時將普利盤向外撐開,使兩盤的間距縮短。兩盤的距離縮短之後,V型皮帶也被兩盤往外擠,模擬高檔位,低減速比的狀態,使車速能夠提升。

CVT中的離合器

離合器是目前現行車輛必備的機械元件,功能都是為了切斷引擎對於輪胎的動力輸出,使車輛停止時,引擎得以繼續運轉,不會因為後輪停止轉動而熄火。在速克達上,無須以手動的方式控制離合器,但卻擁有離合器的功能,這是因為CVT系統以引擎轉速作為設定值,設計了自動離合器。


圖中便是離心式離合器中的離合器片組,在轉動時,會向外甩開。

CVT系統所使用的離合器稱為離心式離合器,依機械結構區分為離合器外蓋,俗稱碗公,碗公內部則裝有離合器片組及驅動板。由於離合器必須要有切斷動力的功能,因此可以看做兩部分:第一個部分便是碗公,碗公與後輪相連結,碗公轉動,後輪便會跟著轉動。


俗稱碗公的離合器外蓋,內部便是與離合器片互相摩擦的摩擦面。

第二個部分則是離合器驅動板及離合器片,兩者與被動盤組相連結,或者說,引擎的動力可以傳遞至此。從這裡來看,關鍵便在於離合器片及碗公是否互相摩擦。當車輛不動,引擎也僅維持怠速時,離合器片並不和碗公有接觸,動力是被切斷的。當起步時,引擎轉數提升,透過皮帶的傳遞使離合器片被往外甩,逐漸帶動碗公旋轉,驅動後輪。當油門放開,車速下降時,某個速度以下,離合器片會再度分離,切斷動力。

CVT再加速的秘訣:扭力凸輪

若從普利珠及普利盤這樣的搭配來看的話,那動力系統的變速其實只能透過引擎轉速來控制,因為引擎速數控制了普利珠的位置,而普利珠則控制了普利盤的開度及皮帶位置,間接掌握了整個變速機制。也就是說,整套變速系統並無法針對騎乘狀況及騎士的意志來變速,只能依照當時的引擎轉數做出反應。


後被動輪盤中,除了有大彈簧改變皮帶位置,機構內還有扭力凸輪,視扭力傳遞情形,改變皮帶位置。

為了使整套變速系統更能反映行車狀況及騎士的需求,除了普利珠及普利盤的組合之外,工程師在開閉盤(後被動盤)上設計了扭力凸輪機構。當遇到上坡或是騎士需要加速時,騎士會加大油門,使引擎動力輸出增加。此時的引擎轉速雖然大致上相同,但由於油門加大的關係,輸出的扭力增大許多。位於後被動盤上的扭力凸輪因感應到系統承受的扭力增加,產生推力,使後開閉盤距離拉近。如此一來,整體傳動系統的減速比便會增加,類似於降檔的效果。

當你騎乘附設引擎轉數表的摩托車時,請注意引擎轉數,當油門全開時,引擎轉數會略微提升,這便是扭力凸輪的作用了。


中間的V型凹槽便是要夾持皮帶的地方。

CVT變速看仔細

介紹完所有的CVT變速系統元件功能之後,我們將放大鏡拉回整體系統,來看看究竟這套可以自動變速的CVT是怎麼運作的。

車輛停止:

不論是剛起步,或是在路口停車時,引擎依然是以怠速運轉。此時,透過皮帶的傳遞,前驅動盤會帶著後被動盤轉動。但由於速度不夠,離合器片並不會被完全甩開,摩擦力道也不足以帶動後輪。

車輛起步:

當騎士轉下油門,引擎轉數立刻被提升,後被動盤的轉數也升高,離合器片逐漸被甩開,以滑動摩擦帶動碗公及後輪。速度越來越快之後,離合器將完全接合。

車輛加速:

在加速的過程中,前驅動盤會透過普利珠逐漸外甩的機制,將皮帶往外擠,並由於皮帶長度固定,因此後驅動盤的有效半徑也會縮小,造成減速比的連續變化。

CVT省油小妙方

雖然CVT傳動可以自動變速,又能依據騎士的意志及路況需求做出類似退檔的功能。但CVT系統以皮帶及普利盤作為動力傳遞,傳遞效率無法與鏈條相比,也使CVT處於劣勢。一般而言,皮帶傳動的效率大約在80%至90%,相對於鏈條傳動擁有95%以上的效率是差了些。尤其是當CVT進行變速時,皮帶本身便在普利盤上滑動,造成傳動效率更差。因此,要降低一般速克達油耗的最簡單方法便是經常使用等速行駛,避免速度一直變化,以這樣的方式來避開CVT傳動效率較低區段。這也就是為什麼長途行駛的平均油耗會比市區行駛好很多的原因之一。


在定速巡航之下,CVT的效率會比變速時好很多。

HONDA HFT(Human Friendly Transmission)變速系統

HONDA也發表過搭配濕式多片離合器的無段變速系統HFT,該系統可以說是結合傳統有段變速以及CVT無段變速彼此的優點,具有無段變速的順暢感以及一般有段變速的傳遞效率,曾被稱為下一代摩托車變速系統。


HONDA HFT。

HFT主要特點是透過軸向柱塞泵連動斜板構造,其斜板分別為於動力的輸入端的泵浦斜板與輸出端的馬達斜板,引擎動力軸旋轉後,會帶動泵浦斜版轉動,推動柱塞泵的活塞,而活塞會推動變速箱油產生液壓,液壓則會推動輸出端的活塞,當輸出端的活塞垂直的推向馬達斜板時,因為馬達斜板的角度,會令縱向的力產生橫向的力,進而帶動斜板旋轉。

因此,馬達斜板角度越大,引擎輸出的動力減速的越多,扭力也獲得放大,反之當馬達斜板角度越小,則速度越快。而馬達斜板的角度交由一具馬達負責,在自動模式下,馬達斜板根據車輛資訊調整角度的速度,能產生省油的巡航模式或是重視加速的運動模式。同時也能藉由電腦設定,模擬檔位,進行手動換檔的操作。


HFT的構造圖,其中紅色的泵浦斜板角度固定,並跟隨主軸轉動,因此讓泵浦產生活塞作用,推動變速箱油產生液壓。

HFT與CVT在操作上也有些許不同,HFT具有空檔的設計,單純發動引擎時,光是轉動油門車並不會前進,與DCT車款一樣,必需按下把手上的按鈕入檔。入檔後,怠速時仍不會將動力傳遞出來,而是當油門開啟,透過旋轉慣性讓離合器閥門作動,並提高HFT內部液壓,這時動力才會傳遞出來。


DN-01是第一款,也是目前唯一一款使用HFT的車款。

HFT雖然與CVT同樣為無段變速系統,但HFT的構造讓其在體型更為小巧,類似打檔車款的引擎配置,但也因為HFT的變速非常依賴變速箱油,因此對油品的要求也相當高,HONDA搭載HFT的DN-01甚至搭配機油壓力感應器,一但油壓不足,車輛會進行上鎖無法行駛。而值得探討的是,HONDA僅僅在DN-01上搭載這套HFT變速系統,DN-01於2008年發表至今,除了2010年的衍生車款DN-01 TOURING外沒有任何後繼車款存在。相較之下,HONDA於2010年發表的VFR1200F上所搭載的DCT雙離合系統,如今已發展到第二代系統,並大量運用在VFR、NC與CTX車系上。HFT在保養維護的照顧上,終究還是不敵自家的DCT系統,而讓DN-01成為如同試作機般的存在。

授權轉載自:Moto7

原文:CVT變速原理、機械結構|TRANSMISSION 傳動與變速

 
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