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作者:徐業良(2005-11-14);推薦:徐業良(2005-11-14)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2006年一月號,史丹福專欄。

自動排檔如何創造七個檔位?

在汽車雜誌寫專欄,除了偶爾被恭維成「專欄作家」時有點兒小小的虛榮感之外,大部分的經驗其實是十分辛苦的。上班日工作非常忙,幾乎都要犧牲週末僅有的休閒時間,忙上兩整個週末,才擠得出每月這一篇稿子。

甚至在被恭維成「專欄作家」時也會碰上些麻煩。常有久未碰面的朋友或者素昧平生的讀友們來電、來信、來email,開頭經常是「我是您史丹福專欄的忠實讀者…」,接下來就是各種稀奇古怪的問題。最常見的問題是要我推薦買哪一部車比較好,我通常都委婉地請讀友們細讀汽車購買指南的推薦文章;再來則是對汽車科技的相關問題,我也儘量就我所知做回答,或者介紹讀友們哪裡有參考資料可以看。碰上讀友們提出個人的疑難雜症我最頭疼,有一回一位讀友寄了一份光碟給我,細細拍下他的車子的狀況,希望我診斷他的車子問題所在;另一次一位讀友讀到專欄上的汽車新科技介紹,覺得甚有「錢途」,來電詢問有無興趣合作創業。面對這樣的問題,我就真的只好說抱歉了。

來電、來信、來email的讀友們,對於我的回答不知道會不會有些失望,發覺「專欄作家」的功力也不過爾爾。其實學海浩瀚,汽車科技的領域廣而艱深,我也只不過和大家一樣滿地找資料,花時間猛K資料,再整理成每個月的文章,確實談不上什麼功力。

不過有一類絕不能讓他們失望的人,就是我的學生們。學生在課堂上提出的問題,我經常也當場回答不出,不過課後必定努力尋找答案回答學生,一方面這是老師的天職,另一方面當然也是老師的面子。

機械系大三的機械設計課程會談到傳動系統、齒輪減速機之類的,其中有一種齒輪機構叫做「行星式」齒輪,在日常生活中最常見的行星式齒輪機構應用,就是汽車的自動排檔。最近剛在課堂上花了一番功夫,自以為是地解釋行星式齒輪機構如何有各種組合,達成自動排檔的四個檔位。

每年課堂上我都會談到這個部分,但只有今年有個學生舉手問到,「可是現在自動排檔很多是五個檔位啊!」

我清清喉嚨,「咳咳,我知道,不過五速自排確實的原理我不太清楚,回去查一查下節課再告訴你。」

這是老師碰到這種尷尬情況最常用的招數。

我確實常看到配備五速自排的車子,事實上連六速、七速自排都出現了,2003年四月號的史丹福專欄還寫過一篇關於自動排檔檔位數越來越多的文章。一直以為一組行星式齒輪理論上只能搭配出四個自動排檔的檔位,自又己總是很怠惰地沒有主動瞭解一下五速、六速、七速自排原理,這回被學生問倒了,下課後就認認真真地研究了一下,自動排檔箱到底如何創造這麼多檔位。

還是從汽車排檔的基本常識談起吧。手排汽車通常有五個檔位,一、二檔減速比相當高,一檔減速比經常在34之間,二檔減速比經常在23之間,引擎扭力被放大,加速力道強,然而車速稍微加快,引擎轉速便跟著拉得很高,因此適合在低速起步加速、或需要大扭力爬坡時使用。三、四檔減速比較低,三檔減速比經常在12之間,而四檔的減速比通常是1,也就是在排檔箱內沒有減速,適合在一般駕駛狀況下使用。大部分汽車手排檔的第五檔,減速比都低於1,稱為「超比檔(over drive, OD)」,也就是在排檔箱內不但沒有減速,反而轉速提升了。這樣的設計主要目的是使汽車在高速公路上高速行駛時,引擎轉速可以不必拉得太高,有助於引擎省油,運轉也比較平順。

手排檔是用一般齒輪減速機來減速,理論上要搭配幾個檔位、任何減速比,應該都沒問題。自動排檔則是有一個相當不一樣的行星式齒輪(planetary gear)機構。「行星式」齒輪的名字可不是胡亂取的,中心真的是一個「太陽齒輪(sun gear)」,繞著太陽齒輪轉的則是三或四個一組的「行星小齒輪(planet pinion)」,整組由一個旋轉支架固定,行星小齒輪的外層,又和一只「環形齒輪(ring gear)」咬合著。環形齒輪的樣子相當特殊,是一個大圓環,齒在環形的內側,所以也稱作「內齒輪(internal gear)」。

專有名詞介紹完畢,雜誌社能幹的編輯們應該能找到一些漂亮的圖片,讓讀友們更容易瞭解這些專有名詞。

      

在這組行星式齒輪中,太陽齒輪、行星小齒輪旋轉支架、環形齒輪各有一個旋轉軸,三種齒輪互相纏繞旋轉,在自動排檔不同檔位時,三個旋轉軸必定有一個軸固定不轉動、一個軸是驅動軸、另一個軸則是輸出軸。不同組合之下,便造成可將引擎轉速減速、加速、倒檔等不同檔位所需的齒數比。排列組合一下,一共有如下六種可能性:

可能性

1

2

3

4

5

6

太陽齒輪

固定

輸出

固定

驅動

輸出

驅動

行星小齒輪

驅動

驅動

輸出

輸出

固定

固定

環形齒輪

輸出

固定

驅動

固定

驅動

輸出

速度

加速

加速

減速

減速

加速(倒檔)

減速(倒檔)

「太陽齒輪、行星小齒輪、和環形齒輪這六種組合中,第三、第四種組合排檔減速比大於1,其中第三種組合減速比在1~2之間,是一般自動排檔中的二檔,第四種組合減速比大於2,是自排車中的一檔。第一、第二種組合是加速,排檔減速比小於1,而第一種組合的減速比在0.5~1之間,是自動排檔中的超比檔。」

「如果行星小齒輪旋轉支架固定不動的話,太陽齒輪軸和環形齒輪軸轉動的方向會相反,輸入和輸出轉動方向相反便成了倒檔(組合五、六),其中第五種組合減速比小於0.5,第六種組合減速比大於2,因此自排車的倒檔自然是屬於第六種組合。」

「最後太陽齒輪、行星小齒輪旋轉支架、環形齒輪中,只要有兩個旋轉軸相互鎖定,整個齒輪組就成了一個一體固定的元件,這時候驅動軸和輸出軸轉速一樣,成了齒比1:1的直接驅動方式,通常便用在自排三檔。」

OK,這三段文字特別用刮號刮起來,因為以上三段文字是抄錄自我的機械設計課程講義。這份講義用了好幾年了,最原始的參考資料是什麼我已經忘了,但是經過學生這麼一問,再去詳查相關資料的結果,發現這三段文字,×,不正確。Well,這些說明描述基本的行星式齒輪機構是正確的,直接描述汽車自動排檔箱的檔位則過度簡化了些。依照這個過度簡化的說明,自動排檔箱的確只能有四個檔位,但是現代自動排檔箱要比這個基本的行星式齒輪機構複雜、聰明得多。

首先自動排檔箱中的輸出軸,永遠都是環形齒輪。歐歐,您查了一下前面六種組合那個表,輸出是環形齒輪的話,只剩下一個加速檔,一個倒檔。

但是自動排檔箱裡有兩個太陽齒輪和兩組行星齒輪,又可以多組合出好幾個檔位。兩組太陽齒輪串列在一起,一大一小(這裡取兩個名字,小太陽齒輪和大太陽齒輪),但各有獨立驅動軸;兩組行星式齒輪一短一長(這裡也取兩個名字,短行星齒輪和長行星齒輪),短行星齒輪和長行星齒輪排排站互相咬合,共用一個旋轉支架,短行星齒輪只和小太陽齒輪咬合,但沒有和環形齒輪直接咬合,而是透過長行星齒輪才能驅動環形齒輪,長行星齒輪則同時和大太陽齒輪、短行星齒輪、環形齒輪有接觸。

希望雜誌社能幹的編輯能夠找得到(或者自己畫得出)一個清楚的圖形,來解釋自動排檔箱中的這個真的十分複雜太陽系。

好,再重新解釋一下自動排檔箱中的檔位組合。自動排檔箱中的一檔,小太陽齒輪輸入、短行星齒輪固定、環形齒輪輸出。您再查了一下前面六種組合那個表,這不就是組合六--是個倒檔?

自動排檔箱聰明的地方就在於前面提到,短行星齒輪沒有和環形齒輪直接咬合,而是透過長行星齒輪才能驅動環形齒輪。兩個齒輪或相咬合的時候,旋轉方向是相反的,在基本的行星式齒輪這個組合中,太陽齒輪經由固定的行星齒輪去帶動環形齒輪時,太陽齒輪和環形齒輪轉動方向相反,但在自動排檔箱中,太陽齒輪經由固定的短行星齒輪去帶動長行星齒輪、再驅動環形齒輪時,夾在中間的長行星齒輪又把轉動方向轉換了一次,最後小太陽齒輪和環形齒輪轉動方向相同,咱們的自動排檔箱有了個減速比大於2的一檔。

希望您到這裡還能瞭解(而且有興趣),不然我真的扯不下去了,因為自動排檔箱中的二檔比一檔還要複雜些。

自動排檔箱中的二檔,只有大太陽齒輪是固定的,所造成的是一個兩階段減速的效果。第一階段小太陽齒輪是驅動軸,行星齒輪旋轉支架是輸出軸,這時候固定的大太陽齒輪的功能成了環形齒輪,得到的是前面表中的組合三;第一階段的輸出成為第二階段的輸入,行星齒輪旋轉支架是輸入軸,大太陽齒輪固定,環形齒輪是輸出軸,得到的是前面表中的組合一。兩個階段的減速比相乘,就得到自動排檔箱中的二檔減速比。

這聽起來很怪,但的確work。好吧,如果您明年沒有要修我的大三機械設計課,准許您將這一段忽略跳過。

還好我的講義裡對三檔和超比檔的說明沒有錯,整個行星式齒輪組固定成一體的元件,便可用在自排三檔;行星齒輪旋轉支架是輸入軸,大太陽齒輪固定,環形齒輪是輸出軸,也就是前面表中的組合一,確實就是自動排檔箱中的超比檔。

至於這三種齒輪的軸哪一隻固定、哪一隻驅動、哪一隻輸出,是靠自動排檔箱中的油壓系統驅動一組摩擦皮帶或離合器改變位置,控制哪一隻齒輪軸需要固定,或者是引擎動力傳送的方向。這又是一大套複雜的學問,饒了我,真的改天再說吧!

By the way,自動排檔箱中這套兩個太陽齒輪、兩組行星齒輪的設計,學名叫做「Ravigneaux行星齒輪組」。

OK,現在我們的自動排檔箱有四個檔位了,六速、七速自排又是如何?

六速、七速自排的技術資料很難找,在我找到關於六速、七速自排的技術資料中,大多提到了Lepelletier這位先生專利的自排設計。基本上是在前面討論的Ravigneaux行星齒輪組上再外加一組行星式齒輪。外加行星式齒輪組的太陽齒輪連接在Ravigneaux行星齒輪組的外殼上且是固定的,行星齒輪則是靠兩個離合器分別連接在Ravigneaux行星齒輪組的小太陽齒輪、大太陽齒輪上,環形齒輪是輸入軸,又用另一個離合器連接至Ravigneaux行星齒輪組。這組外加的行星式齒輪好幾組離合器的控制組合,便又為自動排檔箱新增加了好幾組減速比。

以上這段是老師自己還是搞不清確實的道理,也覺得學生沒有太大興趣的時候,大致呼隆過去的說法。也許讀過這個月的文章之後,讀友們發現了真相,對我這位「專欄作者」再也沒有錯誤的過度期望。噢,至少明年度的機械設計講義行星式齒輪和自動排檔這一部份,一定要好好做一番修正了。

唉!現在已經是星期天,不,星期一早上一點多了。再過五個多小時又要起床上班,展開另一個艱苦的禮拜,我還在這裡推敲自動排檔的原理。

這個月就呼隆過去,下個月再見!