| ３ b94611032 張鈞崴 腳踏車變速齒輪 | ||||||||||||||||||||||||||
| 變速車，變！變！變！變速車比起普通的腳踏車，除了外形拉風之外，還可以有多段變速的功能，不但能省力地爬坡，在平地跑起來也是虎虎生風，速度超快喔！最近，有很多小朋友問起變速車變速的原理，今天我們就來稍做解釋一下！
仔細觀察腳踏車，你會發現當你在騎車時，車子的方向是以把手來控制的，而腳踏車前進的速度與力量呢？是以腳踏板來控制（手煞車除外）。腳踏板連接著前齒輪，腳踏板踩一圈，前齒輪就會跟著轉動一圈，所以你能夠以 腳踏板來控制前齒輪的轉動；那後齒輪呢？鏈條把前齒輪和後齒輪鏈接在一起，當你踩動腳踏板使前齒輪轉動時，就會帶動後齒輪跟著轉動，而後齒輪的輪軸就會帶著後輪及前輪一起轉動了！因此，腳踏板、前後齒輪、及鏈條組成的齒輪組，是腳踏車的「靈魂組合」。目前常見的變速腳踏車，前齒輪多是固定大小，而後齒輪則有好幾個不同大小的齒輪可以變換；以下就以這類的變速腳踏車來簡單說明。
我們說幾「段」變速，其實就是因為後齒輪有好幾種大小可以調整；我們舉下圖為例子，來說明：
所以，當後齒輪愈小，速度則愈快。
要讓腳踏車前進，首先便是要克服地面給予輪子的「阻力」。在此，我們可以把後輪及後齒輪之間的關係看成一個「變形」的槓桿，而從槓桿原理中，我們知道： （施力）×（施力臂）＝（抗力）× （抗力臂） 而在腳踏車的例子中，（施力）為我們踩踏板後藉著鏈條傳給後齒輪的力；（施力臂）為後齒輪的半徑；（抗力）為地面給予車輪的阻力；而抗力臂為車輪的半徑；所以： （踩踏板後藉著鏈條傳給後齒輪的力）×（後齒輪的半徑） ＝（地面給予車輪的阻力）× （車輪的半徑） 因此，當地面給予車輪的阻力及車輪的半徑都是固定時，後齒輪的半徑愈小時，所需要踩踏的力就愈大，也就是愈「費力」！
來，我們來動動腦！當你要上坡時，阻力顯然比在平地時大，你要如何「變速」呢？當然是選擇沒那麼快但省力的「大齒輪」囉！那當你在平地前進時呢？ |
2007年6月13日 星期三
腳踏車變速齒輪運作原理
無段變速箱原理
【請參考圖１－ 普通變速箱動力曲線】
無段變速系統簡介
B94611032 張鈞崴
你可能不認識來自荷蘭的Hub及Wim van Doorne兄弟、也不知道他們在汽車工業歷史上舉足輕重的發明 (即便你可能每天都在使用它):CVT(Continuously VariableTransmission)無段變速系統!但是你絕對要有體認，在Van Doorne公司慶祝第一具CVT變速箱使用於民用車35週年慶的今天、這個過去被質疑為只能用在廉價小型車與變速箱科技早已改頭換面，準備再次成為汽車工業的要角。
9月底的巴黎車展會場中 。DaimlerChrysler車場向世人公布新一代的Mercedes A Class車型。這款新車的出現極具歷史意義:它是Mercedes車廠第一款可使用CVT系統的車型 !除了傳統的手排與自排變速箱之外，A Class的車主也可選用稱為 「AUTOTRONIC」的CVT變速箱。Mercedes的公關人員宣稱AUTOTRONIC的換檔表現比傳統的自排變速箱更優異，但體積卻非常迷你 (長度僅330公釐)、是世界上尺寸最小的CVT變速箱。
在巴黎車展展場的另一側，Ford車廠也正在發表備受全球汽車媒體矚目的新一代世界車:FordFocou的相關細節。新一代Focou1.6升車型配置著全新的Durashift CVT系統，並可切換為全自動與7段手動變速功能。除了DurashiftCVT之外，車主還可選擇Durashilt5速手自排與6速手排、以及Durashilt4速自排變速箱。但Ford用提供的資料證明搭載Durashilt CVT變速箱的Focus在油耗表現比傳統五速或四速自排車款優異至少8％。全新Focou車型上的Durashift CVT系統是由Ford與ZF共同開發的成果，Ford集團在2001年底與德國變速箱大廠ZF簽訂合作協議，雙方共同研發可用於大扭力車種的CVT系統、並在美國Ohio州合資成立生產中心以提供Ford集團所需要的CVT變速箱。Ford預估到了2005年，該廠每年搭載CVT系統的新車數目將超過100萬輛。
DaimlerChrysler與Ford車廠並不孤獨，包括Fiat、BMW集團以及Toyota、Honda、Nissan等日本車廠過去一直都是CVT系統的支持者 ，Audi更是早就以技術領先的先進CVT系統 (以multitronic系統為名)在高級車市場闖出一月天。和去不一樣的是，擺脫了「只能用於廉價迷你車」的印象後，新一代的CVT系統在自動變速箱市場的佔有率逐漸提高之際，在中大型房車、高級車出現的頻率也大大增加。
GVT變速箱的運作原理：CVT並不是什麼高科技 !今日多數的速克達 (Scooter)都採用這類變速箱設計，傳統手排與自排變速箱部擁有4至7組比例不同的齒輪以符合各種狀況(高/低速)時的扭力需要，但CVT變速箱內卻沒有任何一組齒輪:它是靠著兩個可改變半徑的滑輪（透過調整左右兩半部份的距離改變半徑大小)加上傳遞動力的皮帶 (後期為了使用於大馬力輸出的引擎而改用鋼鍊)、並且利用這兩個半徑可以改變的滑輪來模擬出傳統變速箱內的不同齒輪比例，在介紹完CVT變速箱的原理後。它的優點明顯易見:不需多組繁複齒輪意味著CVT變速箱不但重量輕、體積小、製造成本也大幅降低（CVT變速箱的零件數目是傳統自排變速箱的45％）！「無段變速」的特色使得齒輪比在任何引擎轉速時皆達到「最佳化」狀態，車輛加速時可透過連續更改滑輪比例而將引摯轉速固定在最大扭力值、進而締造出無可比擬的加速成績！對於車內空間寸土寸金、引擎出力也不大的迷你車來說，CVT變速箱可說是最適合的選擇。
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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》
相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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Read more!汽車的差速器
B94611032 張鈞崴
差速器（英語Differential）的發明，是因為在汽車轉彎時，由於內外輪通過的路徑不等長，所以如果汽車如果想順暢的轉彎，便需要彌補內外輪的轉速差。
[編輯] 內部結構與原理
其內部是1種行星齒輪機構，而在設計上必須滿足左輪轉速加上右輪轉速等於兩倍行星齒輪架轉速，在直線前進時，左輪、右輪和行星齒輪架轉速相等，行星齒輪公轉但不自轉（見右1），而在轉彎時，這個平衡遭到破壞，迫使行星齒輪產生自轉，使外側車輪轉速加快，內側車輪轉速減低，車輛得以順暢的轉彎。
[編輯] 缺點與改良
但差速器並不是沒有缺點，當車輛驅動輪有一輪打滑，或因劇烈操駕產生舉腳（車輛轉彎時因為離心力有一邊或一個輪胎舉起，離開地面），因為差速器的等扭矩作用，全部的動力會傳送到那個打滑的輪子，使其他車輪失去動力（見右2），使車輛陷入險境或速度減低，所以後來又發展出了限滑差速器（Limited Slip Differential）跟差速鎖，來因應競賽跟越野的需求。
[編輯] 實際照片
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