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2. 手排變速箱
    最早的手排變速機構出現於十九世紀末,法國工程師ÉmileLevassor所設計,Levassor推出了許多對現代汽車極具影響力的概念,其中一項便是離合器與排檔桿的組合裝置。當時由Levassor設計的一整套傳動系統:SystèmePanhard,被譽為最頂尖的汽車工藝,其包含了四輪、ER layout和三段滑動齒輪式變速箱(Non-synchronous transmission、crash boxes、sliding mesh transmissions)。這種舊式的變速箱設計有著齒輪不同步問題,因此齒輪發出噪音、容易損壞,也增加了汽車的操作難度。現今比較常使用的手排變速箱又可以稱為固定嚙合齒輪變速箱(constant-meshed transmission),降低了最早滑動齒輪式變速箱齒輪磨耗及噪音問題。
 
圖:PanhardetLevassor'sDaimler Motor Carriage with SystèmePanhard
 
  
圖:手排變速箱安裝、外觀與內視圖
 
 
2.1變速箱動力傳輸
     變速箱在汽車傳動系統中是極其重要的一環,汽車引擎的轉速如果直接轉化為輪子轉速,對於使用者來說實在太快,比方說引擎轉速4000直接當作輪子轉速,車輪輪徑800,則該車的時速(4000×800×π×60)/1000000=603km/hr,顯然並不實際,就算真的需要如此高的跑速,引擎的扭力也不足以負荷整個汽車傳動系統。變速箱扮演的角色即是將轉速與扭力控制在可行的範圍,並且駕駛可以依需求改變汽車的速度,手排車的齒輪箱集合了齒輪組以及許多操控元件,才能提供使用者許多的檔位選擇。
 
     手排變速系統中,引擎曲軸將動力通過離合器傳至變速箱的輸入軸,經過變速箱中的齒輪傳輸後,再經由變速箱輸出軸傳遞至傳動軸中,便完成了引擎至車輪上的動力傳遞。由於手排變速箱是機械結構,內部的金屬齒輪硬碰硬的直接接合,因此動力傳輸僅於齒輪咬合間些許浪費,雖然無法將引擎輸出動力全盤的傳遞至車輪上,但以目前車輛科技發展而論,此變速傳動系統已是最不浪費的設計,且相較於自排變速系統,動力傳輸絕對較直接。
 
圖:同步嚙合變速箱
 
 
(1)變速箱傳動比
    變速箱設計的基本目的便是藉由不同斜齒輪的搭配形成不同的減速比,配合作用在不同的汽車行進速度要求;或是咬合三個正齒輪完成倒車動作。手排變速箱每位在一個前進檔位,將可以看到兩個不同直徑的齒輪,咬合再一起運轉。令主動輪、從動輪齒輪數分別為d、D,則減速比可以如下計算D/d,當主動輪直徑較小的時候,減速比的數值也恰是引擎扭矩放大的倍率。一般汽機車減速比計算,包含一段減速比、齒輪箱傳動比、終傳比,必須將三者相乘才是真正的汽車減速比。
 
    文中範例以一款前置引擎後輪驅動的同步嚙合四段變速箱介紹,一次減速於減速箱內完成,輸入軸上的零件從右到左分別為一檔齒輪、二檔齒輪及三檔齒輪,相對的,在主軸上也有分別與其對應的齒輪,該範例變速箱可以將輸入輸出軸相接形成四檔,傳動比1:1的直接傳遞,輸出軸上的1、2、3檔齒輪齒數分別為50、42、34;副軸上1、2、3檔齒輪齒數則是16、28、32,一次減速齒輪齒數34、30可以實際計算出齒輪箱各檔位的傳動比。
 
圖:手排N檔
 
    一檔(First Gear ),撥動排檔桿到一檔位置,換檔撥叉撥動一二檔之間的同步器向右使主軸隨一檔齒輪旋轉,動力即由離合器─-輸入軸其齒輪──副軸──副軸一檔齒輪──輸出軸一檔齒輪──同步器──輸出軸,輸出軸一檔齒輪齒數為50、副軸一檔齒輪數為16,一次減速比34/30=1.133,齒輪對減速比50/16=3.125,總齒輪箱傳動比3.54,動力流向圖如下:
 
圖:手排1檔
 
 
     二檔(Second Gear ),撥動排檔桿到二檔位置,換檔撥叉撥動一二檔之間的同步器向左使主軸隨二檔齒輪旋轉,動力即由離合器─-輸入軸其齒輪──副軸──副軸二檔齒輪──輸出軸二檔齒輪──同步器──輸出軸,輸出軸二檔齒輪齒數為42、主軸一檔齒輪數為28,齒輪箱傳動比1.133*42/28=1.69,動力流向圖如下:
 
圖:手排2檔
 
    三檔(Third Gear ),撥動排檔桿到三檔位置,換檔撥叉撥動三四檔之間的同步器向右使主軸隨三檔齒輪旋轉,動力即由動力即由離合器─-輸入軸其齒輪──副軸──副軸三檔齒輪──輸出軸三檔齒輪──同步器──輸出軸,輸出軸三檔齒輪齒數為34、主軸一檔齒輪數為32,齒輪箱傳動比1.133*34/32=1.20,動力流向圖如下:
 
圖:手排3檔
 
    四檔(Fourth Gear ),撥動排檔桿到四檔位置,換檔撥叉撥動三四檔之間的同步器向左使主軸隨輸入軸旋轉,動力即由離合器─-輸入軸──輸出軸,動力直線傳輸,傳動比即為1,動力流向圖如下:
 
圖:手排4檔
 
    倒檔(Reverse ),如下圖,範例齒輪箱加上了倒檔齒輪。駕駛撥動排檔桿到R檔位置,換檔軸帶動倒檔惰輪嚙合主軸倒檔齒輪軸,因為動力傳輸過程多了惰輪而造成輸出軸反向運轉,動力傳遞即由離合器─-輸入軸其齒輪──副軸──副軸到檔齒輪──輸出軸倒檔齒輪──同步器──輸出軸,輸出軸倒檔齒輪齒數為16、惰輪齒數為26、主軸倒檔齒輪數為46,減速比26*46/16*26=2.875,動力流向圖如下:
 
圖:手排R檔
(2)變速箱構成
    變速箱的構成,一是將引擎輸出扭力放大傳至輸出軸的齒輪組;二是將人力傳送到齒輪箱內控制這些齒輪互相組合的換檔機構。汽車於行進中切換檔位,這點必然需由一些機械機構來操作,而非人力直接接觸改動,這些機構大致上包含了排檔桿(Gear shift)、換檔軸(Shift rod)、換檔撥叉(Shift fork)、轉動件耦合元件。以同步齒環嚙合變速箱為例,排檔桿是一個簡單的省力槓桿,一端變為手持端,一端連結變速箱內部換檔軸上的卡榫,故當駕駛人動排檔桿便能傳達一較大的力量到變速箱內推動換檔軸,換檔軸末端承接換檔撥叉,並以其環扣在同步器上,同步器輪套軸上,我們可以從下圖知道排檔桿前後擺動及代表同步器在輸出軸上的軸向運動。由於四速同步變速箱的四對前進齒輪對常態性相接(constant-meshed),輸出軸上的齒輪組與輸出軸必須採鬆動連接(loosely connected),如此輸出軸才不會與齒輪一同轉動,當需要上檔的時候,排檔桿擺動帶動同步器移動至鬆動齒輪輪轂處,將之與輸出軸連接,齒輪動力才得以傳送到輸出軸。以下將幾個主要零件分別介紹:
 
圖:四段同步嚙合變速箱選擇器機構
 
 
A. 換檔機構
    齒輪箱裡面的換檔機構係指由換檔軸與換檔撥叉等零件組,除了用來實現以檔位桿小範圍移動便能完成換檔之目的,汽車製造者設計換檔機構時還必須考慮設計連鎖機構、彈簧定位及倒檔鎖定等零件,避免亂檔、跳檔及誤切換倒檔情況發生。四輪變速箱的連鎖機構像是一個方形模塊讓三根換檔軸平行穿過,中間有垂直三根軸的穿孔用來放置鋼珠,短銷則是穿過中間的換檔軸,兩端與鋼珠相觸。所有換檔軸上皆有弧形縱向截面的環形凹槽可以與鋼珠配合,換檔時,其中一根軸被推出模塊,軸的外緣推擠兩顆鋼珠向外進到剩下兩根未動軸的凹槽內,將兩根軸卡住,如此可以防止兩根以上的換檔軸同時推出,造成亂檔情形;彈簧定位機構則是用定位彈簧及鋼珠安裝在變速箱外殼末端,鋼珠以彈力抵住換檔軸上的凹槽定位,若鋼珠或是軸磨損,則檔為維持能力變差,即有可能發生滑齒(跳檔)。
 
圖:變速箱換檔軸與排檔桿
圖:定位鋼珠
 
B. 齒輪與傳動耦合元件
    齒輪與傳動軸耦合元件便是將軸帶動隨齒輪轉動之元件。犬牙形離合器(Dog clutch)便是一個外觀對稱的耦合元件,提供兩轉動件非滑動耦合機制,其以花鍵使之與輸出軸配合在軸上滑動,藉由換檔機構操控其前或後,犬牙形離合器內側有環狀排列的凸起(犬牙)方可與軸上的凹槽接合,便可實現輸出軸與輸入軸偶合。因為變速叉操控選擇器卻不能隨其轉動,所以選擇器的外圓必須是一個環形止推軸承。
 
圖:犬牙型離合器連接兩軸
 
    當使用選擇器想要連接兩旋轉件時,可以發現犬牙形離合器兩端轉件的轉速不一樣,相接時便發生磨耗。叫後來發展出來的同步器機構便是為了解決這個問題,同步機構可以分為同步器(synchronizer)輪轂、同步器袖套、阻擋環(blocking ring)。同步器中心件內邊以花件嚙合輸出軸,輸出軸便隨之轉而轉;阻擋環環形內面呈楔形,恰可以與位在齒輪上的錐面嚙合,是為錐形離合(cone clutch),為了增加離合器面的摩擦力,阻擋環材質將選用摩擦係數交高的金屬,如黃銅,並且環內側帶有細小的溝槽。換檔時,離合器先作用,藉由摩擦力使選擇器速度漸漸跟上欲換檔位齒輪轉速,同時帶動同步器中心及輸出軸旋轉;而後兩邊犬齒才扣合,這時同步器便和齒輪有相同轉速,完成換檔。
 
 
C. 倒檔齒輪(Reverse)
    倒檔是一組正齒輪對,一個在副軸;一個在輸出軸。與於他前進檔齒輪對不同,到檔齒輪對並沒有永久接觸,而是各自接在所在位置的軸上。倒檔的選擇是靠一只惰輪(idler gear)滑進到檔齒輪對之間將其連接,在動力傳輸過程多接了一個齒輪可以想見輸入輸出軸會由同向運轉變為反向。在倒檔選擇的過程中並沒有同步器的幫助,故切換倒檔之前必須完全停止輸出軸的運轉。
 
 
 
2.2 手排變速箱發展
    手排變速箱從最早Levassor所設計至今,中間也發生了許多次重大的概念革新。縱觀人類早期的汽車發展,早期的動嚙合變速箱只有兩對簡單的齒輪組,但有齒輪嚙合不同步問題出現,因此發展出較先進的固定嚙合、同步嚙合變速箱,而後,又隨著技術逐漸成熟以及科的進步,手排變速箱變得更加人性化及方便,加入了電子油壓系統的半自動化手排車,縮短了手排換檔耗費的時間與傳動力,我們給予專門的稱呼為自手排,也是現在非常普遍見到的變速箱形式。
 
 
(1)滑動嚙合變速箱
    主軸(輸出)上的齒輪藉由換檔機構沿著軸移動,與副軸上的齒輪進行配對而有不同齒數比,而齒輪換檔機構則由齒輪槓桿來操作。如圖,當撥叉撥動輸出軸1、2檔齒輪沿輸出軸縱向右移可以連接副軸一檔齒輪,這時汽車位在一檔,又稱為”下位齒輪”;如果將1、2檔齒輪依同向左移動,則可以得到二檔的減速效果;若要切換到三檔,則必須將輸出軸三檔齒輪又移達成配對;與輸出軸三檔齒輪為一體的是犬牙離合器,撥桿將其左移,與輸出軸末端齒輪上的犬齒接上,這時輸出軸與輸入軸變異起旋轉,減速比為1:1,謂之四檔,也可以稱為”上位齒輪”。滑動嚙合變速箱的倒檔惰輪是一只厚度較厚的齒輪,倒檔惰輪向左移動一定的位移量,與一檔齒輪對相接,而且此時兩個一檔齒輪並沒有連結,如此一來便能形成標準的倒檔動力傳輸作用方式。滑動嚙合變速箱齒輪嚙合過程中常常彼此衝擊而發出噪音,故此種變速箱又稱為衝擊式變速箱(crash gearbox)。
 
圖:滑動嚙合變速箱
 
 
(2)固定負載嚙合變速箱
    滑動嚙合變速顯然並不順暢,因此人們想到將一對對的減速齒輪一開始便嚙合在一起,主軸上的齒輪自由轉動(不隨主軸旋轉),需要其作用時以帶有鍵槽的嚙合離合器將該齒輪與主軸連接。如圖是一個五速固定負載嚙合變速箱,且倒檔惰輪也行固定負載嚙合。1、2檔齒輪間;3、4齒輪間;以及5、R檔齒輪間都會有一個犬牙形離合器,跟滑動嚙合變速箱不同的是,三個離合器以檔位撥叉沿主軸後移動,而不是移動齒輪。只要離合器上的犬牙與齒輪上的犬牙嚙合,便只有該齒輪的轉速能傳達至輸出軸,其餘的齒輪則是繼續自由轉動。
 
圖:固定負載嚙合變速箱
 
 
(3)同步嚙合變速箱
    同步嚙合、同步齒環嚙合皆與固定負載嚙合結構相同,唯一的差異在嚙合離合器改座小型的錐形離合器,同步嚙合輪轂在主軸上有鍵槽,並由齒輪換檔機構控制,可沿主軸方向移動。輪轂的周圍放式彈簧及鋼珠,提供外側套筒負載,在非操作階段不至於滑開。同步嚙合機構能與嚙合齒輪上的相應齒嚙合。換檔初時先將同步錐與齒輪上的相應摩擦面接合,慢慢兩者轉速接近,換檔機構進一步作棟達到完全嚙合。同步齒環嚙合則是將彈簧鋼珠組合替換為同步健及換檔板保持彈簧。
 
圖:同步齒環嚙合變速箱
 
(4)序列式變速箱
    序列式變速箱(sequential manual transmission)是用於摩托車和高性能汽車的非傳統類型的手動變速器,序列式的意思就是該變速箱只能提供使用者從當前應用之齒輪對切換到相鄰的的較高檔位或相鄰的下檔,而無法直接切換到任意檔位,序列式變速的排檔方式不會像傳統排檔的H-pattern,而是呈一直線,摩托車的檔位切換更不用說,只有加檔減檔兩種選擇。排檔桿單一的前後運動如何能控制檔位不斷的向下或向上切換,便是依靠序列式變速箱的勾爪與選擇器滾筒設計,下面舉例摩托車中的棘輪來了解其作用原理,如下圖(左)是維持檔位時勾爪狀態,圖(右)是加檔動作,當採下踏板勾爪被往上推並推動選擇器滾筒旋轉,並由右側勾爪限制滾筒轉動量,踏板放開使勾爪回位,回到圖(左)的狀態,並且左側勾爪維持滾筒狀態。
  
圖:勾爪與選擇器滾筒
 
    當駕駛不斷踩動踏板或推動排檔桿欲上切檔位,選擇器滾筒就會同方向不斷等間距旋轉,見下圖,選擇器滾筒是一個鑿有多行相同形狀不同相位的Z字形凹槽選擇器上端有短銷扣入凹槽,短銷並不會隨滾筒旋轉,但當滾筒旋轉,短銷相對地像是在凹槽內行走,遇到凹槽Z字形的變化便帶動選擇器向左或向右切換,至於選擇器與齒輪對的作用關係,與固定嚙合變速箱相同。一般SMG變速箱多搭配犬牙型離合器使用而非同步器,這點是因為序列式變速箱多用在賽車當中,犬牙型離合器相較於同步器更能快速的換檔。
 
圖:序列式變速箱換檔原理
圖:汽車的的序列式變速箱
 
 
(5)自手排變速箱
    較現代的變速箱,為了增加使用者的安全性與便利性,使用電子油壓系統取代部分人力操作,是具有計算機控制機構的常規手動變速器,在必要時使離合器脫離的伺服裝置。變速器計算機控制這種傳動裝置的早期版本是從1967年到1976年在大眾甲殼蟲和卡曼Ghia使用的Autostick,而現今依然有再被使用的以手排變速箱大體上可以依離合器數量分為兩種,單離合器與雙離合器。
 
    第一種單離合器手排變速箱,最初是為了塞車減少換檔踩離合器的動作而開發,可以說是傳統變速箱演進而來,1990年代Ferrari Mondial與第一代Renault Twingo皆使用類似系統。單離合自手排基本構造與傳統手排變速箱相仿,只是離合器以及變速箱內部換檔機構改用電子油壓系統控制,所有的換檔過程中,駕駛人”扳動換檔桿”的動作並不會直接連動變速箱內的換檔機構,而是化為電子訊號,經由變速箱控制單元(Transmission Control Unit ,TCU)傳至油壓控制系統,完成換檔機構的控制,其中電子油壓系統中包含了兩種執行器:換檔執行器,離合執行器,分別操作換檔機構與離合器。自手排變速箱有越多的檔位就必須安裝更多的同步器,一般而言,也代表需要更多的換檔執行器,不過對於電力油壓系統控制的序列式變速箱,即便是高達七段變速,也只需要一個換檔執行器。
 
圖:自手排變速箱電子油壓系統
圖:FEV七段變速AMT齒輪與執行器位置對照
 
 
    第二種,雙離合器自手排變速箱(Double Clutch Transmission)在現今幾家汽車大廠對雙離合技術有不同的命名方式,比如Porsche的PDK,Ford的PowerShift,或通用的DCG,Volkswagen的DSG。雙離合的概念早在二戰時期由法國工程師AdolpheKégresse提出,1980年代由配置了雙離合器自手排變速箱的Porsche 962C於賽場上發揚光大,雙離合器自手排變速箱開始受人們到矚目。
 
圖:AdolpheKégresse的雙離合變速箱
 
 
    DCT相較於傳統手排與自排變速箱,缺少了自排的扭力轉換器,整體傳輸效率接近傳統手排變速箱,透過雙離合器快速銜接檔位,換檔速度快是其最大優勢。雙離合變速箱可以快速換檔的原理在於期兩個離合器分別控制一組齒輪組,單看一組離合器與所控制的齒輪組,其作用方式與手排變速箱相同,名為雙離合,便像是將兩個手排的齒輪組放進同一個齒輪箱一般。DCT的兩個多片式離合器顯示於下圖,中間一個連接實心的轉軸;外圈的離合器則是連接空心的齒輪轉軸,並且空心軸是套在實心軸之外。兩根轉軸一根控制奇數檔位一根控制偶數檔位,升檔過程中,兩個離合器輪流作用,引擎動力恆能傳輸至輸出軸,因此雙離合器變速箱能得到比手排手排變速箱更流暢得換檔,而不會有明顯的頓挫感。
 
圖:雙離合變速箱結構
 
    下述將部分介紹雙離合器齒輪變速箱升檔過程。下圖(a),顯示一個平穩地於三檔下運轉的雙離合器變速箱,內部離合器作用中,將引擎動力帶給綠色的實心軸,同步器正處於與主軸三檔齒輪嚙合狀態,此時紅色空心軸並不會運轉。此時駕駛波動排檔桿切換四檔,傳動控制單元接收訊號,驅動2、4檔間的同步器嚙合四檔齒輪,圖(b),此時主軸上同時有兩個同步器作用,而外圈離合器未離合,空心軸四檔齒輪反而被主軸四檔齒輪帶動,圖(C),兩離合器同時切換,這時引擎動力將傳導至空心軸,由該軸主導動力流向,實心軸因為沒有接收到引擎動力而減速,最後三檔同步器斷開就算是切換到四檔。
 
(a)
(b)
(c)
圖:雙離合器變速箱切換
 
    因為輸入兩相鄰檔位齒輪都不會在同樣的一根軸上,所以傳動控制單元偵測到換檔訊號時,可以直接將下一個檔位的同步器先行嚙合,如此一來,換檔速度便可以比手排變速箱快上許多。不過雙離合器變速箱的缺點也很明顯,因為配置兩組輸出軸與離合器,使得變速箱本體體積會大於傳統手排變速箱,而且在低速運行時,若車輛又時走時停,離合器被迫長時間處於半接合狀態,容易產生過多熱能,以致離合器過熱耐用度不佳。濕式雙離合器變速系統,以油液浸泡離合器片能減緩離合器過熱的情形,卻又因此增加變速箱成本而不適用於一般民用車使用了。
 
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