Google+ 機動學論壇(TALKING MECHANISMS): 排檔與傳動系統的關係

2007年6月13日 星期三

排檔與傳動系統的關係


B94611032 張鈞崴

排檔與傳動系統的關係 《機械原理》
同車款搭載著相同的引擎動力,在手排變速箱與自排變速系統的不同搭配下,將會有不同的性能表現,原理其實很簡單,因為手排變速箱的結構不僅比較簡單,更是比較直接。

由於車輛動力經由引擎輸出後,並不是直接傳至傳動軸上,還需經過變速箱的齒輪轉換。而會有此設計,主要是透過變速箱中的多種齒輪組合,產生動力放大的效果。此原理可以藉由變速自行車獲得解釋;由於人力有所限制,但為求得更佳的性能表現,因此加入了變速系統,在小齒輪搭配下,以相同的腳力卻可換取輕快的加速力道,但卻無法獲得較快的速度,而在起步後要求得更快的速度,則需換為大齒輪,同樣在一樣的腳力驅動下,卻可擁有更快的速度表現。

同理可證,車輛上的變速箱便是透過大小齒輪的組合,讓車輛可於起步獲得所需的較大動力,而在車輛移動後的慣性所致,在一定的速度下,加速所需的力道便無須如同起步般的強大,因此在齒輪的變化中,可搭配不同速度所需的動力輸出,以造就完整的加速過程。

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。因此駕駛在踩下離合器後,離合器將引擎曲軸與變速箱輸入軸切開,引擎動力與變速箱呈現不接合狀態,變速箱在無動力貫入之時,駕駛將排檔桿撥至所需檔位,透過排檔桿與變速箱連結的結構傳遞,主齒輪便被切換至選擇檔位齒輪的位置,在駕駛手部份完成換檔動作後,腳下的離合器一放,引擎動力與變速箱再度接合狀態,動力便可傳至車輪上。

由於手排變速箱是機械結構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。

一般消費者在許多雜誌中,皆會看到有關於齒輪比與終傳比的相關名詞,到底這些名詞與引擎輸出功率有何相關之處?自排系統與手排系統又如何與這些齒輪比搭上關係?當然還是要繼續看下去…

由於引擎轉速動輒數千轉,如果直接將其轉至輪胎的轉數,過快的表現,將會有可能讓車輛「飛」起來,因此變速箱中的齒輪更肩負著引擎輸出的轉速降低的功能。透過變速箱中大小不同的齒輪相搭配下,可有效的降低引擎輸出的轉速速度,且可藉由此搭配,將扭矩放大,且由於齒輪的圓周比就是半徑比,而轉速降低的比率及扭矩放大的倍數,都恰好等級兩齒輪的齒數比例,這就是所謂的「齒輪比」。

或許此過於艱深的理論,一般讀者無法了解,因此舉例說明。在一輛汽車於3000rpm轉速時具有20kgm的扭力輸出,而變速箱中的小齒輪為15齒,大齒輪為45齒,經過小齒輪至大齒輪的動力傳輸過程中,轉速將降低1/3(15/45),因此轉速降至1000rpm,但扭矩則放大三倍,達到60kgm,便是此道理。

此外,引擎在輸出扭力後,於變速箱中需經過兩次的扭矩放大,第一次就為變速箱的檔位作動,第二次則為最終齒輪比的因素(或稱為終傳比)。舉例來說,如果一輛車的一檔齒輪比為3.2,最終齒輪比則為4.0,引擎峰值扭力為15.0kgm/5000rpm,則第一檔的最扭力經過兩次齒輪放大後,為 15.0x3.2x4.0=192kgm,較原有引擎輸出放大了12.8倍,不過此時還需再除以輪胎半徑尺寸,方為實際輪上推力。

不過由於機件傳輸上仍有些許的動能損耗,因此實際傳至輪上的動力並不會如同上述公式般準確,而此時機件的損耗便是手排變速箱與自排變速箱的最大差異。在手排變速箱中,由於齒輪間的傳輸皆依賴最原始的接觸原理,因此傳輸效率約在95左右,而自排變速箱透過液壓油的傳遞,動能損耗更為明顯,傳輸效率只剩下 88,且無論是自排變速箱與手排變速箱,皆須再經過傳動軸約98的傳輸效率再次降低動能傳遞,因此到輪上的動力,皆經過了多次折扣。

但在手排與自排兩系統的比較下,手排變速箱的動力傳遞遠較自排變速箱傑出,因此也難怪在相同的車輛與引擎動力條件下,手排車款遠較自排車款來得快速了!

謝謝教授

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