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1.傳動系統
      在漫長的人類歷史當中,古人早就知道使用獸力拉動帶著輪子平台或包廂,用來運輸人類及貨物,只要用幾根曲木以及木栓連接馬匹以及車體,便能形成了簡單的馬車。19世紀人類發明了發動機之後,世界進入了無馬車的時代,漸漸人們也對交通工具的要求越來越高,精準的轉向、煞車、倒車以及速度控制,已經不是”馬拉車”的形式所能完成。汽車的動力來源──引擎,就是一個可以不斷同方向運轉的輪子,如果汽車上只有一顆引擎,不用說變速等複雜的功能,甚至連平穩前進都無法完成,傳動系統便是為了將引擎單一的輸出傳達到汽車的每一個角落,並且有能力做出複雜的變化。隨著科學家與工程師的努力,時至今日,傳動系統已經非常的成熟且普及。
 
     汽車引擎與驅動輪之間的動力傳遞裝置稱為汽車的傳動系,它應保證汽車具有在各種行駛條件下所必需的牽引力、車速,以及保證牽引力與車速之間協調變化等功能,使汽車具有良好的動力性和燃油經濟性;還應保證汽車能倒車,以及左、右驅動輪能適應差速要求,並使動力傳遞能根據需要而平穩地結合或徹底、迅速地分離。傳動系包括離合器、變速器、傳動軸、主減速器、差速器及半軸等部分。
 
 
1.1基本汽車傳動構件
    汽車的傳動系構件主要包含了離合器、差速器,若車子需要較遠距離的傳遞動力,則需要安裝萬向軸,根據不同的車型驅動方式、整體布局,以及不同的功能需求,這些傳動機構外型及操作上也會隨之變化,以下將介紹這些傳動構件的基本外型及作動原理。
 
圖:汽車傳動系統
(1)離合器
    離合器(Clutch)便是引擎動力與變速箱之間連結的開關裝置,架構層次從引擎飛輪到變速箱之間,分別為驅動板(有時稱為離合器片、中心或摩擦板)、壓板總成、推力環總成。動力連線的斷點便是驅動板與壓板之間,平時汽車行走時,兩者貼合以摩擦力傳動,踩下離合器踏板,兩者分開。依照零件上些許的不同可以分為三類,多彈簧式離合器、膜片彈簧式離合器、多片式離合器。
 
 
A. 多彈簧式離合器、膜片彈簧式離合器
    傳統的離合器形式,飛輪與壓板以鉚釘連接,與引擎的曲軸一同旋轉,變速箱輸入軸穿過釋放軸承與摩擦板相連結,離合器踏板未踩下時,壓板會因為彈簧負載作用,緊壓著摩擦片,飛輪動力也能順利傳達到變速箱輸入軸;離合器踏板一踩下,釋放軸承便下壓分離槓桿內側,依槓桿作用,壓板反而抬升,移除彈簧施加在摩擦板的壓力,摩擦板依然旋轉,摩擦板與變速箱輸入軸則因為沒有摩擦力的作用而緩緩停下。膜片彈簧式離合器,則是將彈簧與分離槓桿替換成膜片彈簧。
 
圖:多彈簧式離合器結構
 
圖:膜片彈簧式離合器結構
 
B. 多片式離合器
    機械多片式離合器早期應用在大型車上,更多的摩擦板可以使離合器可傳遞扭矩更大,這點可以由以下公式觀察得知:T= (n×μ×W×(R_1 〖+R〗_2))/2,其中T為扭矩, μ為摩擦板摩擦係數,W為壓向表面的總彈簧力量,R_1為摩擦板來令片外徑,R_2為摩擦板來令片內,n為摩擦面個數,假設離合器內部有兩片摩擦板作用,則摩擦面個數就是4;三片摩擦面個數6,以此類推。如下圖是一個兩片壓板的多片式離合器,兩片壓板外圈的凹槽將裝置在飛輪的定位點上與飛輪一起旋轉,釋放軸承在膜片彈簧中間施力之後,釋放彈簧作用在壓力板的壓力,則所有壓力板及摩擦板之間沒有原來這麼的密合,摩擦力也就降低了。而現今自動排檔汽車變速箱主要原理是使用多片式離合器來選擇行星齒輪,其採用液壓當做控制動力,離合器組中的多個離合器片等距排列,油壓系統可以控制油路進油,推動活塞進而推動其中一組離合器組,則兩組離合器組中的摩擦面一個對一個貼合,完成行星齒輪系統的離合工作。
 
圖:機械式多片式離合器
圖:油壓控制多片離合器
 
(2) 差速器
    差速器(Differential)的發明,是因為在汽車於轉彎時,外側輪子需要走的路徑要比內側輪子走的路徑大,汽車想順暢和精確的轉彎必然要讓外側的車輪轉速高於內側車輪,人們藉由設計一個特殊的機械結構來彌補兩輪轉速上的差異,此機構便是差速器。差速器是一組由四個錐形齒輪組合而成的、兩兩相接的行星齒輪組,兩個太陽齒輪(在這裡又稱作半軸齒輪),每個半軸齒輪都與兩個行星齒輪相咬合,每個行星齒輪也與兩個半軸齒輪相接,如此一來四只齒輪變為成一個方形結構。現在試想一只行星齒輪往順時針方向旋轉,可以發現其將帶動兩只半軸齒輪逆時針旋轉,而因為半軸齒輪是面對面設置,其輸出至車輪的動力效應便是一個向前、一個向後。當然實際應用上行星齒輪不是主動控制的,而是當車子轉彎時兩半軸前進的阻力差迫使其自轉,彌補兩輪轉速差。
 
圖:最終動力組件(含差速器)
 
    我們可以從下圖更清楚的了解差速器的作用,移除一個行星齒輪簡化系統且外加一個紫色外框代表行星齒輪會隨者半軸連線旋轉,大的紫色齒輪則代表從變速箱傳來的動力,恆往汽車前進方向旋轉。當汽車直線行駛時,兩半軸齒輪受到的阻力大致相同,因此行星齒輪並不會自轉,而是充當連結兩邊半軸使其等速前進的連桿作用;當汽車向左轉彎,左側車輪所受阻力較大,左邊半軸齒輪轉速就會慢下來,極端情況下我們可以假設他完全停下來,但是紫色齒輪照常轉動,連同紫色外框帶動行星齒輪向車前進方向運轉,這時行星齒輪已經因為兩端半軸齒輪的阻力不同而無法使兩者保持等速,必然是右側半軸較容易被推動,行星齒輪因此順時針自轉,將右側半軸齒輪加速旋轉。
 
圖:差速器作用,直線行駛(左);向左轉彎(右)
 
(3) 萬向軸
    萬向軸是用於傳遞扭矩和旋轉的機械部件,通常用於連接因距離而不能直接連接,而卻需要有相對應運動之傳動系統的其他部件。作為扭矩載體,驅動軸承受扭轉和剪切應力,相當於輸入扭矩和載荷之間的差異。 因此,它們必須足夠強大以承受壓力,同時避免過多的額外重量,從而增加慣性。為了允許驅動部件和被驅動部件之間的同步,驅動軸經常包括一個或多個萬向接頭、爪耦合聯接器或彈性接頭,有時是花鍵接頭或棱柱形接頭。
 
 
 
1.2 排檔桿安裝
    對汽車的玩家而言,速度或許是汽車的代名詞;對於一般民眾,汽車或許只是代步工具,需要安全、低速的行駛,所以汽車需要有變速箱,來完成兩者的需求。排檔桿就是駕駛與變速箱溝通的橋樑,只要扳動排檔桿就能促使變速箱作用,使汽車達到想要的車速,各個汽車廠家及設計者可能根據汽車的驅動方式、客戶習慣做考量,而衍伸出多種不同的排檔桿安裝位置安排。
 
(1) Floor-mounted shifter
    一個在FR汽車上常見的四段變速佈局,將排檔桿安裝於駕駛座旁地面。排檔桿位在最中間代表空檔(N檔),此時沒有任何齒輪正在運作,引擎動力便無法流至驅動輪上,於N檔位置水平方向設有回位彈簧,若沒有完整打檔排檔桿便會回到中間位置,這項的佈局通常被稱為H-pattern,從低到高檔,位置分別左上、左下、右上、右下;另一個常見的安排方式則是Dog-leg gearbox pattern,則是將二檔位置以一檔替代,三檔位置以二檔替代,以此類推,這種安排比較常出現在賽車上,因為它們必須更快的從二檔換到三檔。倒檔的位置則無故定,只有為了預防駕駛無意的切換倒檔而設置了反向鎖定。
 
圖:Floor-mounted shifter
 
 
(2) Column-mounted shifter
    有些車會將排檔桿安裝於駕駛桿側邊,常見於早期三段變速汽車,也可以聽到人們將其稱為”three on the tree”出現在1930s美國,之後在歐洲跟日本就出現四段版本,1980s 到1990s五速 column shifter 的麵包車販售於歐洲及亞洲,像是 Toyota Hiace、Mitsubishi L400、Fiat Ducato。column shifter必須比Floor shifter多許多的複雜桿件才能完成,其好處就是減少前後座乘客的阻礙,以及更方便於二三檔間的變速。
 
圖:Column-mounted shifter
 
(3) Console-mounted shifter
    一些50s、60s年代的小型車,像是Citroën 2CV、Renault 4L、Renault 5 (feature a shifter in the dash panel.) ,將排檔桿安裝在儀表板上以空出前座腳下的空間,比起column shifter,其連接變速箱的連桿機構較簡單,缺點是音響及空調控制儀表空間被壓縮,當儀表板上可控件太多也會使駕駛操作混亂。
 
圖:Console-mounted shifter
 
1.3 變速箱與汽車傳動佈局
    汽車的傳動佈局是指引擎的安裝位置及汽車驅動輪的安排,不一樣的安排可能會影響到變速箱的大體架構,以下介紹幾種因為傳動佈局不同而外觀與作用方式不同的變速箱。
 
 
(1) 前置引擎後輪驅動
    傳統四速後輪驅動RWD車之變速箱有三根軸,輸入軸、輸出軸、副軸(layshaft),副軸上面帶有齒輪組,並不直接參與齒輪箱動力輸出與輸入。輸入軸位在變速箱前端承接引擎曲軸動力,輸出軸與之共軸而不相連,於變速箱末端傳輸動力予傳動軸傳動至差速器驅動後輪。輸出輸入軸可以藉由機械結構相連成一支主軸,這樣的設計提供了1:1的傳動選擇(direct drive),不過即使不包含一比一齒輪比配置的變速箱,共軸的設置依然可以減少變速箱承受的扭力。
 
圖:前置引擎後輪驅動
 
 
    這是一種傳統的佈置型式。國內外的大多數貨車、部分轎車和部分客車都採用這種型式。FR的優點是附著力大易獲得足夠的驅動力,整車的前後重量比較均衡,操控穩定性較好。缺點是傳動部件多、傳動系統質量大,貫穿乘坐艙的傳動軸佔據了艙內的地台空間。
 
圖:FR-layout汽車變速箱
 
(2) 前置引擎前輪驅動
    前輪驅動的車輛變速箱橫向安裝於車輛前部單元,傳統的四速變速箱內包含兩軸,輸入軸以及主軸,主軸末端為一個小齒輪,連接差速器環型齒輪,直接將動力傳至驅動軸,驅動軸與等速萬向接頭連接,最終驅動前輪。與後輪驅動不同,變速箱輸入與輸出並不會再同一直線上,由於引擎出力直接就近傳給前輪,而不需要向後傳遞的傳動軸。
 
圖:前置引擎前輪驅動
 
    這種型式操縱機構簡單、引擎散熱條件好。但上坡時汽車質量後移,使前驅動輪的附著質量減小,驅動輪易打滑;下坡制動時則由於汽車質量前移,前輪負荷過重,高速時易發生翻車現象。大多數轎車採取這種佈置型式。越野汽車一般為全輪驅動,引擎前置,在變速箱後裝有分動器將動力傳遞到全部車輪上。
 
圖:FF-layout 汽車變速箱
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曾教授與古董保時捷

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