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五羊-本田俱乐部

他和她的故事
骁勇骑士
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你的摩托车变速箱如何工作的吗?
2018-4-12 21:33:10
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你骑的是跨骑车或是踏板车,都有着决定加速表现与极速能力的变速系统;以档车来说,换档动作常是我们所谓骑乘乐趣的重要一环;而对于踏板车而言,变速系统更是调校车辆时的一大重点。究竟这变速箱在玩些什么把戏,又有什么大学问在其中?我们一起来研究看看!
大部分的车友第一次学骑跨骑车时,都有这样的经验:从离合器的操作开始,到如何加速换挡、如何减速退挡,一定会经过一段笨拙的练习阶段。然而在摸熟了基本操作之后,熟练的换挡动作反而是骑乘摩托车时的一大乐趣,许多人会说:会操作换挡才是真正在操控摩托车。我们到底为何换挡?要在什么时机换挡?变速箱内又藏了些什么?这就是本贴所要传授给各位的。
熟练的换档技艺也可说是骑乘的乐趣之一
为何需要变速箱?
需要变速箱的最大理由,在于“发动机并非完美地输出骑士所需求的动力”,因此我们必须在发动机输出动力之后,以齿轮组调整发动机输出的动力,这就是最简单的原因。以一台能在9000rpm输出50kW最大功率的发动机为例子,若直接在发动机外边挂上轮胎,可能无法达到时速50公里的速度,甚至连起步都不能完成!为了让这台发动机能顺利带动整部车,首先要以一组或多组的齿轮来降低转速、放大扭力,使轮胎输出的扭力足以推动整台车,接着再以不同齿比的齿轮组,随速度增加而更换,来使车辆加速。
只要是汽油发动机,其最大功率只会出现在某一个特定的发动机转速。若是发动机输出动力之后,没有变速箱,直接输出至后轮,那么随着车速的增加,发动机转速也会慢慢提升。但在刚开始加速时,车速较低,发动机转速也相对地较低,低转速域所输出的功率是很小的,远低于最大功率值,此时的加速会显得相当缓慢,直到发动机进入扭力高原区域之后,加速度才会逐渐提升,直到最大功率出现,达到极速。
若是减速比设计不当,或发动机在中、低转速的功率较虚弱,还有可能在加速过程中,造成速度停滞,无法加速。从以上叙述可以知道,“若只有一个挡位(没有变速箱的设计),在加速过程中,只能运用最大功率一次”。若将变速箱放入,并妥善分配挡位,使每一个挡位在特定的速度域加速,则变速箱内有几个挡位,加速度过程中就可以运用最大功率来加速几次。
变速箱使得发动机输出功率得到最大的发挥
发动机每一次爆炸所产生的动力,首先由曲轴输出至发动机外,接着经过一组齿轮组来降低转速,放大扭力,接着才进入变速箱,进入变速箱后,依当时所使用的挡位决定第二次的减速比,再次降低转速、放大扭力后,才将动力输出至传动系统,经由链条或是皮带传递至轮胎来输出动力。
超比挡(Over Drive)
由动力传递过程可以知道,发动机在输出动力至轮胎之前,至少要经过两段减速,第一段是曲轴与变速箱之间的一次减速比,第二段则是变速箱内的二次减速比。不论是汽车或是摩托车,变速箱的最后一个挡位或是最后两个挡位通常会设计为“超比挡”,也就是说,在这个挡位,反而是将齿轮转速提升,缩小扭力。通常超比挡是用来让车辆以稳定速度巡航之用,使巡航时的发动机转速降低,以减少震动,由于此时发动机转速较低,因此也没什么加速力道。从车辆的规格表中,若挡位的减速比小于1,如:0.8、0.7,则该挡位即可称为超比挡。
发动机所输出的扭力经过变速箱调整之后,输出至后轮
升挡
要如何决定升挡的时机,是需要靠经验累积来决定的,一般骑士会以两个因素来做考量,第一个是动力输出情形:若以加速为优先考虑时,当发动机转速超过最大功率时,动力输出会急速下降,此时骑士便会准备升挡,换入下一挡位继续加速。究竟要在最大功率出现后多久换挡则是问题所在,得视换挡之后,发动机转速会落在何处,动力输出状况如何而定。假设变速箱采疏齿比设计,那发动机转速便会掉落许多,此时为了提升换挡之后的发动机转速,便会采取延迟换挡的策略,以弥补整体的加速表现。第二个考虑的,则是发动机的震动情形:若骑士不以加速为目的,只是轻松地骑乘漫游,一般会考虑换挡的因素是发动机震动,起步之后,发动机转速会随着车速而增加,随之而来的便是越来越大的震动,当发动机震动超越骑士所能接受的范围时,骑士便会换挡,以较低的转速来继续加速,震动随之降低。
加速时,如何拿捏换挡的时机需要经验的累积
退挡
当骑士需要动力,而无法经由全开油门来获得足够的输出时,就会需要以退挡的方式来取得较大的动力。以搭载V型双缸发动机的车种为例,一般V-twin的动力输出为扭力高原的形态,换句话说,V-twin自低转速域开始便能输出稳定的扭力直到高转速域。从这一点来看V-twin发动机的输出会发现,只要在同一个挡位,不管发动机转速如何,只要油门全开,发动机会输出几乎一样的扭力来加速。
既然是如此,那么退挡是否还能提升加速能力呢?答案还是YES!只要发动机转速处于中、低转速,便可利用退挡使变速箱中的齿比改变,增加减速比,放大扭力,车的加速自然变快了。然而若此时发动机已处于高转速域,则退挡后可能将发动机转速逼入红线区域,反而没有加速的效果,此时将油门全开,已经是目前能得到的最大加速度了。V-twin稳定的扭力高原即为其受欢迎的特点之一,骑士只要依照转速是否还有升高的空间来决定是否要降挡加速,或是以油门全开的方式直接加速。
若以直列四缸的发动机来讨论,情况就要复杂一些了,原因在于直列四缸的发动机在扭力输出方面,会随着转速的提升而向上攀升,直到最大扭力出现之后才慢慢下滑,尤其是注重于高转速域功率输出的发动机,在中、低转速域的输出通常是非常虚弱的。在这种情形之下,只要发动机处于中、低转速,就算把油门全开也无法获得扭力输出,因此需要利用退挡的方式,将发动机转速提升至扭力输出的转速域。退挡之后,除了发动机本身的扭力输出增加之外,变速箱中的减速比也会变大,所以后轮输出的扭力值会暴增,使得四缸车在退挡加速时需要更加小心操控。
退挡补油
退挡补油是经常可以听到的一种技巧,也是跨骑车基本的一种操作,只要站在路旁听声音,就可以知道骑士操作退挡的技巧是否纯熟。一般而言,只要是进行退挡,就需要补油门,主要是利用操作离合器将发动机与变速箱切开的同时,将发动机转速提升,降挡之后,才能平顺地前进。假设需从三挡退至二挡,此时三挡的转速为五千转,退入二挡之后发动机转速必须提升至七千转,那么这二千转的差异,就必须靠拉离合器时补油门的方式来弥补:在离合器切开的瞬间补油门、同时退挡!在退挡时一起补油门并不会太难,需要练习的是,在刹车的情形之下同时退挡、补油门。此时右手指必须拉住刹车拉杆,在退挡的同时又必须扭动手腕做出精准的补油动作。若是补油不足或是过多,则会产生车辆顿挫(甚至后轮锁死的情形)或是突然加速的情形。
不论骑士选择用几指来拉刹车,如何同时刹车、同时退挡补油都需要熟练的技巧


变速箱究竟变的是什么魔术?
以上提了这么多变速箱的重要性,以及骑乘时所会遇到的各种状况,但变速箱的葫芦内到底卖的是什么药,四挡、五挡及六挡变速箱又差在何处?所谓的循环挡及国际挡又有何差别?这里将逐一为各位解说。
解剖变速箱
大家都已经知道齿轮是变速箱的基本零件,也知道不同挡位是由不同齿比的齿轮在做传递动力的动作,但究竟这些齿轮是如何配合的呢?打开变速箱,首先会看到两串齿轮,以六挡变速箱为例,每串齿轮上有六颗大小不一的齿轮,而穿过这两串齿轮的轴心则称为主轴及副轴。换句话说,变速箱的基本构造就是主轴及副轴,上面各串六颗齿轮。虽然两个轴上的六个齿轮在齿数上都不相同,但是却可以将两支轴并在一起,两对、两对齿轮互相咬合如图一所示,图上并有每一对齿轮的编号,从1至6。
主轴上,齿轮A1至A4是与主轴相结合的,也就是说,主轴转一圈,这些齿轮也会跟着转一圈;相对的,A5及A6则是与主轴不相结合,也就是说齿轮A5及A6中间挖了一个洞,让主轴穿过去而已,不管主轴怎么转,与这两个齿轮无关。在副轴上,情况刚好与主轴相反,齿轮B5及B6是与副轴相结合的,会跟着副轴一同旋转;而齿轮B1至B4则是与副轴不相结合,副轴的转动不会影响这四个齿轮的转动。在变速箱中,主轴端是与发动机的曲轴相连的,而副轴则是与传动系统中的小齿盘相连结。换句话说,主轴在变速箱中担任动力输入的角色,而副轴则是担任动力输出的角色,而剩下的六组大小不一的齿轮,则是六个挡位。
没有熟练的挡位变换是无法顺利完成加速动作的
变速箱内的齿轮组
齿轮组在加入拨叉及变速鼓后可经由打挡杆进行换挡
依照前面所说,主轴上只有齿轮A1至A4与主轴是相连结的,而副轴上只有齿轮B5及B6和副轴相连结,所以当主轴转动时,只会有齿轮A1至A4跟着转动,虽然齿轮B1至B4也会被主轴的齿轮所带动,但却因为这些齿轮都没有跟副轴结合,所以不会带动副轴,也就是说,目前的状况,不论主轴怎么转,副轴是不为所动的。如此的状态,不就像是不论怎么转动油门,发动机转速怎么提升,车子还是停留在原地吗?这就是空挡的状态。在空挡时,虽然六个齿轮仍是互相咬合,但在巧妙的安排下,虽然发动机一直输入动力,但却都不会传递至副轴,只是原地空转。
在此要开始介绍其他在变速箱中的零件,分别是拨叉及变速鼓:拨叉总共有三支,形状是Y字形,以开岔的那一端夹持着齿轮,第一支拨叉夹持着齿轮A2与A4(其实齿轮A2及A4的中间是相连的),第二、第三支拨叉则分别夹持着齿轮B5及B6,拨叉的作用在于控制这几个齿轮左右平行移动。这些齿轮虽然都与主轴或副轴相连结,但却可以在轴上平行移动。变速鼓则是控制拨叉位置的零件,每挡骑士踩下打挡杆时,变速鼓便往前转动一步,拨叉的位置也随之改变,控制特定齿轮的左右位置。当骑士勾起打挡杆时,变速鼓便往后转动一步,拨叉也同时回复到上一个位置。
在空挡状态时,主轴及副轴是没有连结的,不论发动机转速是多少,与主轴相连结的齿轮A1至A4虽然同时带着B1至B4转动,但就是无法使副轴转动。但当骑士踏入一挡时,此时变速鼓往前转动一步,使得夹持着齿轮B5的拨叉往左边移动,使得齿轮B5向齿轮B1靠近,并互相结合(齿轮B1的右侧及齿轮B5的左侧是附有齿状的结构,当两者靠近时,便会互相结合,同步转动)。此时,整个变速箱的机制就在从此改变,动力自主轴输入之后,便带动着齿轮A1同步转动,而齿轮A1也带着齿轮B1转动,但是两者的转动速度会依照两者的齿数比例而有所改变,原本齿轮B1只是在副轴上空转,但是由于已经和B5做了结合,所以齿轮B1便会带着B5同步转动,且因为齿轮B5和副轴是相结合的,所以齿轮B5也会带着副轴同步转动。最后的结果就是,主轴开始带着副轴转动,动力开始经由主轴传递至副轴,传出变速箱,而主轴及副轴的转速比例正是依照齿轮A1及B1的比例做调整,这就是一挡。当骑士的左脚再度上勾,要将挡位换入二挡时,此时变速鼓便再度往前转一步,将控制齿轮B5的拨叉向右移动,回复到原位,并继续往右移动,往B2齿轮靠去,与之结合。此时从发动机曲轴传递来的动力便由主轴传递至齿轮A2,由齿轮A2带动着齿轮B2,齿轮B2虽然没有办法驱动副轴,但却与齿轮B5相结合,经由齿轮B5将动力传递至副轴,输出变速箱。当骑士继续勾起打挡杆,则变速鼓会继续往前转进一步,拨叉会再度移动。若是骑士踩下打挡杆,则变速鼓会倒退一步,将拨叉回复到前一个挡位的位置。原本可以自由转动的主轴与副轴就在三支拨叉巧妙地移动之下,可以完成六种齿比的挡位,且齿轮均一直咬合着。
循环挡与国际挡
在市场上常见的商用跨骑车,不少采用“循环挡”的换挡方式,而世界上主流的大排量摩托车,则均采用所谓的国际挡。循环挡的换挡方式为空挡之下,往前踩为入一挡,再往前踩为入二挡,继续踩至最高挡位后,再继续往下踩则换为空挡,并重复一、二、三等挡位顺序。往后踩则为退挡,由空挡退为最高挡位、次高挡位……直到一挡、回到空挡。国际挡的换挡方式则有所不同,由空挡往下踩是入一挡,但再来则无法继续往下踩,必须往上勾进入二挡,若往上勾得太轻,则会变回空挡,从二挡继续往上勾则入三挡、四挡,直到最高挡位才无法继续上勾。
两种变速箱在结构上完全一样,都具有变速齿轮组,主轴及副轴,拨叉及变速鼓,样样不少。唯一的差别在于变速鼓的不同,循环挡的变速鼓在打至最高挡位时还可以继续往前动一步,此时已经转动360度,回到原本空挡的位置。但在国际挡的变速鼓部分,打到最高挡位时,变速鼓便卡死,无法继续往前转动,要退挡只能踩下打挡杆,将挡位退回。在设计上,国际挡是为了安全考量,使骑士在高速下不至因为操作错误而打入空挡。也确保退挡时,就算退至一挡,也不至于继续退至空挡。
工程师在发明了发动机之后,接着又为其设计变速箱,使发动机的动力输出获得发挥。手动挡位变速箱除了让发动机更容易处于高功率输出状态,也带来了操驾的乐趣。虽然手动挡位变速箱能让骑士更频繁地使用最大功率来加速,但却仍然不是恒时供应;于是CVT变速系统因此应运而生,可以在任何速度都以最大功率来加速。
CVT变速系统使踏板车成为了构造简单、容易操作的二轮车种,只要转下油门,车辆便会自动向前走,逐渐加速,并维持适当的发动机转速来输出动力,驱动车辆。CVT变速系统除了使用在小排气量的代步车种之外,也被运用在大排量的踏板车之上,如Yamaha T-Max或是HondaSilver Wing,这表示成熟的CVT技术不但能带来方便,更能发挥发动机的性能,使其成为与众不同的车种。

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