車輛寶典

這是一個國外部落格，用了很多精美、簡化過的3D圖片簡介了汽車原理。可以說是精簡版、入門版的「汽車學」，其中也涉及到一些簡易的機械原理。雖然是英文網站，但是其實有點物理基礎再搭配上網站內的圖片，對於一些機構的運作原理還是能有初步的理解。精美簡單的圖片對於工作上製作簡報、書面報告等等偶而還是很好用^^
推薦給有興趣的人去瞧瞧：

www.carbibles.com/

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以下我試著翻譯其中一篇：變速箱寶典（原文）順便溫習一下英文跟很久沒充實的機械知識，無法逐字翻譯的，我會用自己的意思加以「加油添醋」。語意不通順、用詞不正確之處歡迎指正！

變速箱是Transmission, or gearbox?
這個問題取決於你在大西洋哪一側。在歐洲稱做gearbox。在美洲則是transmission。如果真的要仔細分別，實際上transmission指的是飛輪及離合器之後的整個組件；gearbox則是transmission其中之部分。總而言之，本文主要目的在於對引擎動力如何能夠讓車輛前進有完整概念。

手排變速箱
由燃料、引擎寶典得知引擎內部活塞驅動曲軸使其運轉。空轉時轉速大約900rpm（每分鐘轉速）上下，高速時甚至可以達到7,500rpm。並無法只是將曲軸末端連接上輪組，因為轉速太高而且變化範圍太大，還需要讓停止時引擎保持運作。因而需要降低曲軸轉速至實用數值，這種機構習慣上使用相互契合的齒輪組來縮減運轉轉速，稱做齒輪減速。

齒輪如何運作
『我的車有五速/檔（5 gears）』其中的齒輪像是「鋸齒狀的輪盤」，多數齒輪基本上是一個平面圓盤物體，周圍上有齒狀刻痕。大多數齒輪形式稱為正齒輪(spur gear)，齒痕是直線型，即齒痕角度與齒輪軸線平行。寬一點的齒輪為了能夠更平順地契合，齒痕切割通常都會有個角度，這種齒輪稱做螺旋齒輪(helical gears)。因為齒痕角度的緣故，螺旋齒輪的齒輪之間漸接面積更大，如此使得比起正齒輪更佳平順、安靜。汽車、機車變速箱齒輪幾乎永遠採用螺旋齒輪的原因即在此。螺旋齒輪一方面的作用則是當齒痕成正確角度：45度角時，這一對齒輪可互相垂直接合。常用這種方式來改變機構系統裡旋轉或推力方向，另一種則是採用斜齒輪。

▲正齒輪

▲螺旋齒輪

機構系統中齒輪的齒數關係到與其他齒輪的比例關係。例如將20齒及10齒的齒輪搭配，使20齒齒輪轉動一圈，將會使得10齒齒輪旋轉兩圈。這個例子中，較大的齒輪為輸入齒輪，輸入齒輪每一齒皆與輸出齒輪契合。輸入齒輪一共有20齒，而輸出齒輪只有10齒。這使得輸入齒輪轉動一圈，輸出齒輪將轉動兩圈。齒輪比20齒比10齒=20:10或2:1，此稱做增速齒輪(gearing up)。
減速齒輪(gearing down)完全相同，只不過現在輸入齒輪是齒數較小的齒輪，輸出齒輪則較大。輸入齒輪每轉動一圈，輸出齒輪轉動半圈。這個例子齒輪比變成10:20或1:2。
藉由配合多個不同尺寸的齒輪，就能創造出可以快速增減轉速的機構系統。最後再舉個例子，想像一個有20齒的輸入齒輪，第二齒輪40齒，而最終齒輪有50齒。由輸入齒輪到第二齒輪，其齒輪比為1:2，一半。從第二齒輪到最終齒輪，齒輪比為4:5，五分之四。此系統總齒輪比為(1/2)*(4/5)，結果為1/2.5或0.4。即輸入齒輪轉動一圈，輸出齒輪轉動0.4倍（圈）。
以下是變速箱內螺旋減速齒輪對於引擎曲軸轉速，到輸出軸最終轉速之間的影響。下表以五速/檔手排變速箱齒輪比做為例子（車型Subaru Impreza）。

Gear	Ratio	RPM of gearbox output shaft when the engine is at 3000rpm
1st	3.166:1	947
2nd	1.882:1	1594
3rd	1.296:1	2314
4th	0.972:1	3086
5th	0.738:1	4065

終傳（最終傳動Final drive）—由齒輪比計算車速
這點很重要，因為幾乎所有車輛都有最終減速齒輪。也被稱作終傳或前/後軸齒輪減速，這個減速在差速器裡由小傘齒輪與大環齒輪所行成（參閱本章節後段差速器以下）。由上述Subaru的例子，終傳比是4.444:1，這是由變速箱輸出軸到傳動軸，再到差速器到輪上的最終減速。因此用上述例子，五檔，轉速3000rpm，變速箱輸出軸轉速4065rpm。由差速器到輪上傳動軸減速比4.444:1，計算結果是914rpm。對這輛Subaru，假設輪胎規格205/55R16而週長是1.985m或6.512英尺（參考輪胎寶典），每分鐘輪胎轉動914次，即汽車在地面移動了 (914 x 6.512英尺) = 5951英尺，或1.127英里。每小時(60分鐘x 1.127英里) = 67.62英里。換句話說，知道變速箱減速比及輪胎尺寸，就能夠算出在3000轉時，這輛車在五檔能夠用67英里/小時時速行駛。

使齒輪共同運作成為一具變速箱
下圖能夠看到一般變速箱的內部，你會發現螺旋齒輪之間彼此契合。圖中下方軸稱作副軸(layshaft)，連接到被引擎直接驅動離合器(clutch)，輸出軸位在圖中上方。在外行人眼裡，這看來像是機構夢魘。一旦你讀過這篇，以後看到這圖片就能夠帶點臭屁的說「唉呀～這是五速/檔變速箱嘛」(you'll be able to look at this image and say with some authority, "Ah yes, that's a 5-speed gearbox")

（圖中由左至右：離合器、輸出軸、一檔、二檔、三檔、換檔撥叉、犬齒輪、四檔、五檔、副軸）

所以該怎麼說？來瞧瞧輸出軸，有五個螺旋齒輪、三組換檔撥叉(selector forks)。最基本這告訴你，這是一具五速/檔變速箱（註：此例中沒有倒檔）但是如何運作？實際上的運作要比多數人看過以下說明後所認為的還要簡單許多，你可能需要來點腦袋馬殺雞。
當離合器接合中（參閱本章離合器以下內容），副軸一直在旋轉，所有副軸上的螺旋齒輪都一直以相同速率旋轉著。這些齒輪與輸出軸上一連串安裝在滑動環(slipring)上的齒輪相互契合，故它們實際上是繞著輸出軸外圍轉動，而非驅動輸出軸。仔細看換檔撥叉，會發現它們是在一連串內部有齒的軸環(collars)上滑動。它們稱做犬齒輪(dog gears尚未找到正確中文)，齒則稱為犬齒(dog teeth)，犬齒輪被安裝在輸出軸上的花鍵/開槽鍵/栓槽(spline)部分，使其得以前後滑動。當移動排檔桿時，一連串機構連桿移動了不同的撥叉，使得犬齒輪前後移動。底下的圖繪製了第三、第四檔齒輪之間的特寫。

（圖中由左至右：犬齒輪、犬齒（位在犬齒輪內部）、犬齒（位在四檔齒輪前）、換檔撥叉使犬齒輪在栓槽軸上向後滑動，使犬齒發生作用）
當排檔桿移動選擇了第四檔，換檔撥叉向後滑動。在栓槽軸上向後滑動的犬齒輪與四檔螺旋齒輪前的齒產生作用，這使得犬齒輪本身被輸出軸的栓槽相互鎖死。當離合器釋放，引擎驅動副軸，所有齒輪跟之前同樣轉動，但現在第二犬齒輪鎖定了輸出軸以及第四檔齒輪兩者。（編按：原文寫的是second helical gear，但我認為應該是筆誤，second dog gear應比較正確）

齒輪摩擦(Grinding gears)
前述的例子裡，換檔到第四檔過程中，犬齒輪從第三檔螺旋齒輪被釋放，向後滑動接合上第四檔螺旋齒輪。這就是為何需要離合器，以及何以扳動排檔桿時變速箱會傳出摩擦噪音。一般誤解認為這種摩擦噪音是齒輪與齒輪間相互摩擦，但其實是犬齒輪跨接上輸出螺旋齒輪之犬齒時沒有正確的接合所產生的聲音。典型的情況發生在離合器脫開太快，齒輪箱在此時也企圖要接合驅動時產生。這也是為何以前的車需要所謂的雙離合器動作(double-clutching)。（編按：是一種離合器操作技巧，並非真有兩具離合器）
雙離合器（動作）是古早變速箱為了避免齒輪摩擦而需要的程序。首先壓下離合器使犬齒的壓力消除，並令檔位選擇撥叉及犬齒輪脫離原本咬合的螺旋齒輪，滑向中間中立位置。然後釋放離合器踏板，輕點油門(blip)讓引擎帶動轉速提升至接合下一檔位所需的轉速，踩下離合器，並排動排檔桿使換檔撥叉及犬齒輪契合住下一個螺旋齒輪。

同步咬合裝置(The synchromesh)—為何就不需要雙離合器動作了
同步器(synchros)、同步齒輪(synchro gears)、同步咬合裝置(synchromeshes)...基本上都是相同的東西。同步器是一個能夠讓犬齒在即將契合上之前，將轉速提升上來與螺旋齒輪相匹配的裝置。如此換檔時便不需要輕點油門及雙離合器動作，因為同步器會替你完成不同齒輪間轉速同步的工作。圖中是變速箱的彩色剖面圖，其中綠色圓錐形的是同步環syncho collar，它與紅色犬齒輪結合並一同滑動。當它靠近螺旋齒輪，便合圓錐孔產生摩擦。當接觸越來越多，自轉螺旋齒輪與輸出軸的轉速便會在齒接合前越來越同步（因為螺旋齒輪與副軸上的齒輪接合，同時離合器是分離的）
（圖說：圓錐狀同步環與螺旋齒輪內圓錐狀凹槽接觸作用，令犬齒輪跟上速度）

總結以上長篇大論，製作了一段動畫，你看了變速箱零件移動的動畫後，會令你更加理解。這裡有一組齒輪組，藍色軸是從離合器及引擎過來的副軸，上面組裝了一個較小的螺旋齒輪，副軸一直在轉動。較大的螺旋齒輪在滑動環所圍繞的紅色輸出軸上自由轉動(free-spinning)。當移動排檔桿，金色的換檔軸環帶著犬齒輪沿著輸出軸上的栓槽滑動。當同步器開始與大螺旋齒輪作用，犬齒輪轉動開始加快，因為有栓槽的緣故，也一併使輸出軸加速。一旦犬齒輪及輸出軸轉速與大螺旋齒輪吻合，犬齒會正確接合並且齒輪會被固定在位置上。在動畫後段，藍色副軸現在驅動著紅色輸出軸，變速箱入檔。現在不就更容易理解了嗎？


未完待續........好累