The Transmission Bible
文/Chris Longhurst 原文來自CarBibles.com
如何稱呼？
Transmission, or gearbox?
這個問題的答案取決於你住在大西洋的哪一邊。在歐洲，變速箱被稱作Gearbox；而在北美則被稱為Transmission。嚴格意義上講，Transmission指的是位於引擎飛輪和離合器之后的整套傳動系統總成，如果非要雞蛋里挑骨頭的話，Gearbox(變速箱)應該屬於Transmission(傳動系統)的一部分。
總之兩種表述均無大礙。簡而言之，引擎輸出的動力最終必須傳遞至地面才能驅動車子(或摩托車)前進，因此傳動系統必不可少，本篇意在將個中涉及的各種方式原理一一列出，以饗讀者。
手動變速箱
Manual gearboxes - what, why and how?
引擎中驅動曲軸旋轉的力來自活塞。怠速時曲軸轉速大約在900rpm左右，加速時則能一直飆升至7500rpm。但你不能把曲軸直接連接到車輪上，因為相對行駛時車輪的實際轉速而言，引擎轉速過高，也並不穩定，而且每次停車的時候，你唯一的選擇就是讓引擎熄火。因此你需要將引擎轉速降到一個能夠合理利用的范圍內。其中應用的原理就是所謂的齒輪減速(Gearing Down)——使用彼此嚙合的齒輪降低旋轉物體轉速的機械過程。
齒輪工作原理掃盲
A quick primer on how gears work
這里Gear指的是"齒狀表面的輪形物體"——齒輪，而非"我的車有5個擋"中的擋位(Gear在英語中有多種釋義)。齒輪(Gear，或稱Cog/Sprocket)最基本的形式是在圓柱體上加工出能夠彼此嚙合的牙狀凸起。齒輪最簡單的形式就是直齒輪(Spur Gear/Straight-cut Gear)，顧名思義直齒輪的齒面沿直線切出，輪齒與齒輪軸線相平行。齒寬更大或希望嚙合更平穩的齒輪在輪齒加工時通常都與其軸線呈一定角度，這就是斜齒輪(Helical Gear)的由來。由於輪齒與齒輪軸線呈一定角度，斜齒輪的輪齒在相互嚙合時更為漸進，因此斜齒輪在工作時要比直齒輪平穩，安靜得多。正是因為這個原因，斜齒輪在汽車和摩托車的變速箱上得到廣泛應用。斜齒輪還有一個衍生體，如果兩斜齒輪的輪齒剛好呈45°角的話，這對齒輪便可垂直嚙合(即交錯軸斜齒輪)。交錯軸斜齒輪能夠改變機械系統中運動的傳遞方向。當然錐齒輪(Bevel Gears)也有相同的功用。
在一個機械系統中，齒輪的齒數決定了其相對其他齒輪的比率。例如兩個齒數分別為20和10的齒輪相嚙合，20齒的齒輪每旋轉一圈，10齒的齒輪就會旋轉兩圈。我們在此稱輸入動力的20齒齒輪為主動輪。主動輪和從動輪上的每一個輪齒一一嚙合。由於主動輪有20個輪齒而從動輪只有10個，因此主動輪每轉一圈，從動輪將會旋轉兩圈。傳動比(或稱齒輪比，Gear Ratio)的計算方法是從動輪齒數和主動輪齒數的比值。在這里，傳動比=從動輪齒數/主動輪齒數=10/20=1:2，傳動比通常只是一個單純用來表述主動輪需要轉多少圈，從動輪才能轉1圈的量。這個示例的傳動比為1:2，即0.5:1——"零點五比一"。也就是說主動輪每轉半圈，從動輪就會轉1圈。此過程稱為齒輪加速(Gearing Up)。
齒輪減速(Gearing Down)的原理與之相同，只需將上文的主從動輪對掉即可，主動輪變為齒數較少的齒輪，從動輪為齒數較多的齒輪，現在主動輪每轉一圈，從動輪只旋轉半圈。於是齒輪比就變為10:20，即1:2。
通過多種不同規格齒輪的組合，你能夠快速構建出一個增加/減小轉速的機械系統。最后我們再舉一個例子，想像一下3個齒輪的齒數順次為20，40和50。第1個齒輪到第2個齒輪間的傳動比為1:2——轉速降低了一半。第2個齒輪到第3個齒輪間的傳動比為4:5。因此整個機械系統的總傳動比為(1/2)×(4/5)=1/2.5=0.4，也就是說，主動輪旋轉一圈，從動輪旋轉0.4圈。
實質上變速箱內斜齒輪組的作用就是將引擎曲軸處輸入的轉速降至一個合適數值從變速箱輸出軸輸出的過程。下表是一部Subaru Impreza的5擋變速箱的齒輪比。
| 擋位 |
齒輪比 |
引擎轉速3000rpm時變速箱輸出軸轉速(rpm) |
| 1 |
3.166:1 |
947 |
| 2 |
1.882:1 |
1594 |
| 3 |
1.296:1 |
2314 |
| 4 |
0.972:1 |
3086 |
| 5 |
0.738:1 |
4065 |
主減速器(Final Drive)——調整變速箱齒輪比過濾后的轉速。請注意幾乎所有的車輛都有一套主減速器齒輪組。主減速器還被稱為驅動橋齒輪減速機構(港台地區亦稱其為"尾牙")。主減速器由一個小號主動錐齒輪(Pinion Gear)和一個大號從動齒圈(Ring Gear)組成，同差速器整合在一起[見汽車百科 傳動篇（下）的差速器部分]。以上文的Subaru為例，這部車子的主減速比為4.444:1。引擎動力經過主減速器減速后流經差速器，驅動半軸，最后傳遞至車輪，主減速器是變速箱輸出軸和驅動半軸之間的最后一級減速裝置。以上表為例，當這部Subaru Impreza處於5擋/3000rpm時，變速箱輸出軸轉速4065rpm，經減速比為4.444:1的主減速器和差速器后，傳遞給驅動半軸的轉速為914rpm。那么對於這部Subaru來說，假設輪胎型號為205/55R16，輪胎周長即為1.985m(6.512ft)(參見汽車百科 車輪和輪胎篇)。每分鍾車輪轉動914圈就意味着車子每分鍾能夠前進914×1.985=1.814km(5951ft)。每小時即為60分鍾×1.814km=108.84km(67.62英里)。也就是說，知道變速箱的齒比和輪胎尺寸之后，你就能夠計算出3000rpm時，這部車子5擋時速約為109km/h(68mph)。
齒輪組合而成的變速箱
Making those gears work together to make a gearbox
典型變速箱的內部結構如下圖所示。你可以看到成對嚙合的斜齒輪。圖中位置相對靠下的軸稱為第一軸(或稱主軸/輸入軸)，第一軸與離合器相連，直接從引擎處取力。與其平行且位置相對靠上的是第二軸(輸出軸)。對機械盲來說讀懂這幅圖的難度不亞於登天。不過在你耐心讀完下面這個章節之后，你就能夠以一個專家的口吻說："嗯，這是一台5擋變速箱。
"
你是如何得出這個結論的呢？我們先將注意力集中到輸出軸上。你可以看到輸出軸上有5個斜齒輪和3組換擋撥叉(Selector Fork)。這些信息能夠在最基礎的層面上告訴你這是一台5擋變速箱(注意我的示例中沒有倒檔)，但這些械裝置又是如何工作的呢？其實這比大多數人想象的要簡單得多，當然讀完下一段你可能需要仔細琢磨一翻。
離合器接合后(詳見下文離合器部分)，輸入軸始終保持旋轉狀態。由於輸入軸上的(各檔主動)齒輪與其剛性連接，所以它們將作為一個整體以相同的速率轉動。而與其一一嚙合的從動齒輪則空套在輸出軸上，只能自轉而無法驅動輸出軸旋轉。仔細觀察換擋撥叉，你會發現撥叉能在一個環狀物的外圓周卡槽中滑動，環狀物的內圈加工有齒牙，我們將這個環狀物稱為接合套(Dog Gear)，齒牙則稱為內接合齒圈(DogTeeth)。通過花鍵與輸出軸相連的接合套可在其上前后軸向滑動。撥動換擋桿，整套機械推桿連接機構將改變一個或多個換擋撥叉的位置，進而推動接合套前后軸向滑動選取擋位。下面兩張圖中我渲染了換擋時3，4擋之間的細節部分。
當駕駛者移動換擋桿選擇4擋時，在整個換擋機構的作用下，換擋撥叉后移，進而帶動接合套沿輸出軸花鍵后移，並最終使接合套內接合齒圈與4擋從動斜齒輪左側的接合齒接合。這樣接合套便與4擋從動齒輪連接在一起，由於接合套自身通過花鍵與輸出軸相連，這樣動力便可從輸入軸經4擋主從動齒輪和接合套最終傳遞至輸出軸。當駕駛者松開離合器踏板接通離合器時，引擎驅動力作用於輸入軸，所有常嚙合齒輪和之前一樣旋轉，但左起第4個斜齒輪(4擋主動輪)已經和輸出軸連接在一起——此時變速箱正在4擋工作。
齒輪磨損：在上一個示例中，進入4擋的過程是這樣的，首先，接合套內接合齒圈與3擋從動輪側面的接合齒分離，然后接合套向后軸向滑動接合4擋從動輪。這就是你需要離合器的原因，但如果駕駛者的換擋動作不夠嫻熟的話，變速箱就會發出刺耳的噪音。有人將其誤認為是齒輪輪齒相互摩擦的發出聲音。但事實並非如此。其實這是由於轉速差過大導致接合套內接合齒圈跳過從動齒輪的接合齒，未能與其成功接合所致。換擋時離合器放得太快便會出現這種情況，因為變速箱還未完全接合引擎的動力便已傳遞過來。此時變速箱是無法傳遞動力的。這就是為何在一些年頭比較久的車子上需要使用兩腳離合的原因。
兩腳離合(Double Clutch/Double Declutch)技術通常在你駕駛老一點的車子時會用到，這種方法能夠避免齒輪磨損。首先，踩下離合器踏板，卸掉從動輪接合齒上的壓力，以便換擋撥叉和接合套與前一擋從動輪分離並移回中間位置；然后松開離合器踏板，轟油，使引擎轉速提升至足以結合下一個檔位的程度；最后再次踩下離合器踏板，撥動換擋桿改變換擋撥叉的位置，使接合套接合下一個擋位。
同步器——你不再需要兩腳離合的理由。英文中Synchro，Synchro Gear和Synchromesh的含義相同，均指同步器。同步器的作用是在接合齒接合前匹配接合套和從動輪的轉速，以便二者能夠順利接合。有了同步器之后，換擋前轟油或者做兩腳離合的動作便可省去了，同步器會幫你匹配變速箱內各部件的轉速。下圖是我之前變速箱示例中的一部分，我將其剖開並用不同顏色進行了標示。綠色錐狀的同步環(Synchro Collar)連接於紅色的接合套上並能隨之軸向滑動。在逐漸接近從動輪的過程中，同步環將與從動輪內錐面摩擦。在接合齒接合前二者接觸得越充分，輸出軸和常嚙合自由旋轉的從動輪的轉速就越接近。由於變速箱輸出軸與車輪機械相連，因此車輛行駛中輸出軸始終處於旋轉狀態。而變速箱輸入軸始終與引擎相連，不過一旦駕駛者操縱離合器切斷動力，輸入軸便可自由旋轉。由於變速箱內的齒輪處於常嚙合狀態，因此同步器的任務就是調整輸入軸轉速，使其能夠與接合齒正確接合。這意味着此時輸入軸的轉速已經不再和引擎相等，當然這也不是問題，離合器會溫柔的平衡引擎和輸入軸之間的轉速差，將引擎拉到和變速箱輸入軸相同的轉速，當然反之亦可，這取決於引擎扭矩和當前的車速。
錐狀同步環與從動齒輪內錐面接觸,帶動接合套加速轉動
最后為了總結前文冗長啰嗦的描述，我渲染了一段動畫，其中變速箱部件的運動會讓你豁然開朗的。動畫只展示了一個齒輪的接合。輸入軸(藍色)上固定有一個小號斜齒輪。開始時空套在變速箱輸出軸(紅色)的大號斜齒輪自由旋轉，但與車輪相連的輸出軸轉速卻與之不同。撥動換擋桿，換擋撥叉(金色)推動接合套沿輸出軸花鍵軸向滑動。當同步器開始與大號從動齒輪接合時，斜齒輪的轉速會在同步器的帶動下增加，直至與輸出軸轉速相等。但由於從動輪與輸入軸主動輪相嚙合，這亦將帶動輸入軸加速旋轉。當所有部分的轉速相互匹配時，接合套入位與從動輪接合，接通離合器，引擎動力便可一路傳遞至車輪。
如何倒車？
What about reverse?
倒檔齒輪基本上就是上文所學的延伸，只是額外增加了一個齒輪而已。倒檔齒輪組采用3個齒輪相互嚙合，而其他檔位則只有兩個。輸入軸和輸出軸上各有一個齒輪，兩個齒輪之間還有一個小惰輪(Idler Gear)。這個額外的齒輪會令輸出軸上的倒擋齒輪相對同軸其他前進擋齒輪反向旋轉。倒擋齒輪的接合方式和其他擋位如出一轍——換擋撥叉推動接合套，鎖住倒擋從動輪和輸出軸。因為倒擋齒輪的旋轉方向相反，因此當你松開離合器踏板時，變速箱輸出軸亦會隨之反轉。整個過程就是這么簡單。下圖中我在之前變速箱示例的基礎上增加了倒擋齒輪組。
碰撞式變速箱/犬式變速箱
Crash gearboxes or dog boxes
大段關於同步器的篇章之后，我們應該花點兒時間聊聊賽車變速箱。賽車變速箱也被稱為碰撞式變速箱(Crash Box)或者犬式變速箱(Dog Box)，普通變速箱內部的斜齒輪在這里已經被直齒輪盡數取代。直齒輪在嚙合時彼此的接觸面積更小，這意味着摩擦更小，動力損耗也就更低。這就是那群搞賽車的家伙鍾情於直齒輪的原因。
通常直齒輪多半都浸沒在潤滑油中，而非像普通民用車變速箱一樣依賴飛濺潤滑。因此直齒輪產生的額外噪音被潤滑油的消聲效應減弱為一種非常刺耳的高頻電鋸聲(有人很喜歡對嗎？)。
那么犬式變速箱又是何物呢？其實這種東西在很多年前就已經裝用於摩托車上了。將摩托車上的這套玩意兒升級為車用規格應該是一位賽車技師的創意，促使他萌發出這個想法的原因也許是他希望能為車隊找到一種在維修區快速改變齒輪比的方法，這樣伙計們就不必"滿地尋找散落在地面上的花鍵轂滾動軸承了"。
通常使用同步器的變速箱可在全段引擎轉速區間工作，因為離合器將變速箱輸入軸和引擎曲軸直接相連。由於之前通常設有一組減速齒輪，因此犬式變速箱只需在1/2-1/3的引擎轉速區間工作。犬式變速箱接合齒圈(Dog Gear)上的接合齒(Dog Teeth)相比同步器式變速箱也有所減少，同時接合齒在圓周方向彼此還有一段間距。因此與同步器式變速箱接合套內接合齒圈和接合齒一對一的精確嚙合不同，犬式變速箱的接合齒在圓周方向上彼此最多可以有60°的"自由空間"。這意味着犬式變速箱無需一對一的精確嚙合，最多只需1/6圈便可讓接合齒相碰接合所需擋位。下圖可見同步器式變速箱接合套和犬式變速箱接合齒圈之間的區別。
碰撞式變速箱/犬式變速箱接合齒彼此間距更大,因此這種變速箱的接合完全摒棄了普通變速箱一對一的精確嚙合方式,轉而通過齒與齒之間的相互碰撞完成嚙合,碰撞式變速箱因此而得名
通過減少接合齒數量，增大接合齒的尺寸和間距，降低變速箱運行轉速等舉措，集上述元素於一身的犬式變速箱表面上似乎易於接合。但實際上這種變速箱的接合依舊非常困難，駕駛者換擋時需要非常精確的掌控引擎轉速，否則便可能出現打齒或接合齒彼此彈開無法入擋的現象。上述現象會讓變速箱油中混入大量金屬碎屑，最終導致變速箱過早大修，當然還要附帶一筆不菲的開支。
但犬式變速箱在機械層面上更為可靠卻是不爭的事實，這種變速箱結構堅固，能夠承受賽車巨大的動力和扭矩，這成為其在賽場上立足的根本。
本質上講，犬式變速箱完全有賴於駕駛者完成正確的換擋動作。大概齊就是這個樣子吧。現在的賽車變速箱大都裝有點火切斷裝置。換擋過程中在接合齒接合的同時引擎點火系統將被瞬間切斷，這樣輸入變速箱的動力也被瞬間切斷，這極大的降低了接合齒接合的難度。當然我這里的片刻指的是毫秒級的。有了這套裝置，車手在升降擋時可以徹底擺脫對離合器的依賴(靜止起步除外)。如此一來換擋過程便可大為簡化：先摘檔，然后轟油使引擎達到合適的轉速，接合齒接合的同時引擎點火切斷輔助換擋。
現在甚至連轟油的動作都可以省了——先進的犬式變速箱能夠先行通過油門輸入調整引擎轉速使其進入合適的區間。
然而即便擁有如此眾多聰明的輔助裝置，不夠嫻熟的換檔動作仍然會帶來嚴重的機械磨損，但在賽車中這些都無關痛癢，因為每場比賽后賽車變速箱都會解體大修。
承前啟后的離合器
Before the gearbox - the clutch
現在你對齒輪的工作原理已經有了最基本的認識。在傳動系統中，第二個關鍵部分就是離合器。離合器能夠幫助你順利換擋，並且無需在等紅燈時將引擎熄火。引擎一直在運轉，曲軸就一直在轉，為了換擋和停車這兩項最基本的功能，駕駛者需要一個能將持續運轉的曲軸和變速箱斷開的裝置，於是離合器便應運而生了。離合器由最基礎的3個部分組成：飛輪，壓盤和離合器片。飛輪與引擎曲軸直接相連，離合器片則通過花鍵槽與變速箱輸入軸相連。為了更好的理解下一部分的內容，請仔細閱讀下面這兩幅簡圖，因為離合器在工作中還涉及到其他一些部件(我在第一張圖中將離合器蓋渲染為剖視，這樣其內部的結構就簡單明了了)。現在我們開始吧。
上圖中，離合器蓋通過螺栓緊固於飛輪上並隨之旋轉。膜片彈簧(Diaphragm Spring)通過支承鉚釘與離合器蓋內側相連，此結構能夠允許膜片彈簧以支承鉚釘為支點發生軸向形變。膜片彈簧外緣卡在壓盤外緣的凹槽中。因此當曲軸旋轉時，飛輪，離合器蓋，膜片彈簧和壓盤將一同旋轉。
離合器踏板通過機械/液壓機構與圍繞分離軸承的撥叉機構相連。踩下離合器踏板時，分離撥叉推動分離軸承(Throw-out Bearing)沿變速箱輸入軸軸向滑動，作用壓力於膜片彈簧內邊緣。膜片彈簧受到離合器蓋內側支承鉚釘的阻礙，只得繞支點發生軸向形變，通過外緣卡槽的作用將壓盤拉離飛輪，拉向離合器蓋內側。作用於離合器片上的壓力得到釋放，離合器片與飛輪分離。引擎曲軸末端的飛輪雖然繼續旋轉，但無法驅動變速箱。
釋放離合器踏板的過程中，作用於分離軸承上的壓力逐漸減小，膜片彈簧再次作用將壓盤推向離合器片，使離合器片靠向飛輪。離合器片內部周向布置的彈簧將吸收離合器與飛輪接觸瞬間產生的振動，徹底松開離合器踏板時，離合器內部已經壓緊了。離合器片上的摩擦材料與飛輪緊密接合，帶動變速箱輸入軸以相同的轉速轉動。
燒離合
可能你聽說過"燒離合"這個詞。此時駕駛者含住離合器踏板(離合器處於半聯動狀態)，離合器片並未與飛輪完全接合。離合器片與飛輪間存在轉速差，旋轉的飛輪和離合器片摩擦材料間的相對滑動使離合器片升溫，原理和剎車時剎車片與剎車盤的摩擦升溫(見汽車百科 制動篇)相同。保持這個動作一段時間后你會聞到一股焦糊味，因為離合器片上的摩擦材料已經燒焦。在正常行車過程中也有可能發生這種狀況，比如無意中把腳搭在離合器踏板上小憩，此時你對離合器踏板施加的輕微壓力也許已經足夠釋放膜片彈簧，使得離合器不時的失去摩擦力甚至燒掉。
離合器打滑
"離合器打滑"這個詞可能你也略有耳聞。此時離合器已經出現機械故障。要么是膜片彈簧彈性減弱無法提供足夠的壓力，當然離合器片的摩擦材料磨損過於嚴重的可能性要更大一些。在上述任何一種情況下，離合器和飛輪都沒有正確接合，因此在重載荷，(齒比較小的)高擋位上加速或者上坡時，離合器將出現輕微的分離，與飛輪出現輕微的轉速差。此時你可能會感到動力不足，或者你會發現如何提升引擎轉速車子都無法加速。久而久之，這種問題最終帶來的結果就如同上文所述——離合器燒毀。
摩托車"籃式"離合器
Motorcycle 'basket' clutches
某些Yamaha摩托車上的"籃式"(結構類似一個籃子)離合器似乎也值得一說。盡管基本原理和車用離合器相同(覆蓋有摩擦材料的離合片夾成三明治狀頂在飛輪上)，但設計卻完全不同。關於"籃式"離合器的這段簡短的描述將告訴你斷開變速箱與引擎曲軸連接的方式不只一種。
"籃式"離合器必須做得非常緊湊才能塞進摩托車的車架中，所以其軸向尺寸不能過大。對於摩托車來說離合器還必須布置在易於觸及的位置以便維修，但這對汽車用離合器來說基本不大可能。"籃式"離合器的底座(Clutch Boss)通過螺栓與引擎曲軸的延伸軸相連，其上加工有花鍵，其后布置有強力彈簧。金屬制成的壓盤能夠在延伸軸上滑動，表面覆蓋有摩擦材料的離合器片穿插於其中，構成三明治結構。離合器片的外緣開有花鍵，剛好能夠插入到外面的藍狀殼體——離合器殼上的開槽中。離合器殼通過螺栓與變速箱輸入軸相連，輸入軸貫穿整個離合器總成直通變速箱。這是個頗為精巧的設計，我們繼續使用圖例進行講解。
籃式離合器的工作原理非常簡單。分離軸承在變速箱輸入軸外側滑動。拉動離合器手柄，分離軸承推動離合器底座，底座壓縮離合器彈簧，卸去整個總成內的壓力，將其轉化為彈簧的彈性勢能。這樣摩擦片便可在壓盤中自由旋轉。松開離合器手柄，彈簧推動底座，將壓力重新加載回整個系統，使壓盤和摩擦片接合在一起傳遞動力。這就是第二類離合器的工作原理。
讀罷這些關於離合器的文字(也許某些有點枯燥)，不知你是否有所收獲，或許還有些意猶未盡吧，總之，搞清楚這些旋轉的，加工有齒輪花鍵玩意兒的神奇之處不但非常有趣，還會增加你平日里駕車的安全系數。