The Transmission Bible
文/Chris Longhurst 原文来自CarBibles.com
如何称呼？
Transmission, or gearbox?
这个问题的答案取决于你住在大西洋的哪一边。在欧洲，变速箱被称作Gearbox；而在北美则被称为Transmission。严格意义上讲，Transmission指的是位于引擎飞轮和离合器之后的整套传动系统总成，如果非要鸡蛋里挑骨头的话，Gearbox(变速箱)应该属于Transmission(传动系统)的一部分。
总之两种表述均无大碍。简而言之，引擎输出的动力最终必须传递至地面才能驱动车子(或摩托车)前进，因此传动系统必不可少，本篇意在将个中涉及的各种方式原理一一列出，以飨读者。
手动变速箱
Manual gearboxes - what, why and how?
引擎中驱动曲轴旋转的力来自活塞。怠速时曲轴转速大约在900rpm左右，加速时则能一直飙升至7500rpm。但你不能把曲轴直接连接到车轮上，因为相对行驶时车轮的实际转速而言，引擎转速过高，也并不稳定，而且每次停车的时候，你唯一的选择就是让引擎熄火。因此你需要将引擎转速降到一个能够合理利用的范围内。其中应用的原理就是所谓的齿轮减速(Gearing Down)——使用彼此啮合的齿轮降低旋转物体转速的机械过程。
齿轮工作原理扫盲
A quick primer on how gears work
这里Gear指的是"齿状表面的轮形物体"——齿轮，而非"我的车有5个挡"中的挡位(Gear在英语中有多种释义)。齿轮(Gear，或称Cog/Sprocket)最基本的形式是在圆柱体上加工出能够彼此啮合的牙状凸起。齿轮最简单的形式就是直齿轮(Spur Gear/Straight-cut Gear)，顾名思义直齿轮的齿面沿直线切出，轮齿与齿轮轴线相平行。齿宽更大或希望啮合更平稳的齿轮在轮齿加工时通常都与其轴线呈一定角度，这就是斜齿轮(Helical Gear)的由来。由于轮齿与齿轮轴线呈一定角度，斜齿轮的轮齿在相互啮合时更为渐进，因此斜齿轮在工作时要比直齿轮平稳，安静得多。正是因为这个原因，斜齿轮在汽车和摩托车的变速箱上得到广泛应用。斜齿轮还有一个衍生体，如果两斜齿轮的轮齿刚好呈45°角的话，这对齿轮便可垂直啮合(即交错轴斜齿轮)。交错轴斜齿轮能够改变机械系统中运动的传递方向。当然锥齿轮(Bevel Gears)也有相同的功用。
在一个机械系统中，齿轮的齿数决定了其相对其他齿轮的比率。例如两个齿数分别为20和10的齿轮相啮合，20齿的齿轮每旋转一圈，10齿的齿轮就会旋转两圈。我们在此称输入动力的20齿齿轮为主动轮。主动轮和从动轮上的每一个轮齿一一啮合。由于主动轮有20个轮齿而从动轮只有10个，因此主动轮每转一圈，从动轮将会旋转两圈。传动比(或称齿轮比，Gear Ratio)的计算方法是从动轮齿数和主动轮齿数的比值。在这里，传动比=从动轮齿数/主动轮齿数=10/20=1:2，传动比通常只是一个单纯用来表述主动轮需要转多少圈，从动轮才能转1圈的量。这个示例的传动比为1:2，即0.5:1——"零点五比一"。也就是说主动轮每转半圈，从动轮就会转1圈。此过程称为齿轮加速(Gearing Up)。
齿轮减速(Gearing Down)的原理与之相同，只需将上文的主从动轮对掉即可，主动轮变为齿数较少的齿轮，从动轮为齿数较多的齿轮，现在主动轮每转一圈，从动轮只旋转半圈。于是齿轮比就变为10:20，即1:2。
通过多种不同规格齿轮的组合，你能够快速构建出一个增加/减小转速的机械系统。最后我们再举一个例子，想像一下3个齿轮的齿数顺次为20，40和50。第1个齿轮到第2个齿轮间的传动比为1:2——转速降低了一半。第2个齿轮到第3个齿轮间的传动比为4:5。因此整个机械系统的总传动比为(1/2)×(4/5)=1/2.5=0.4，也就是说，主动轮旋转一圈，从动轮旋转0.4圈。
实质上变速箱内斜齿轮组的作用就是将引擎曲轴处输入的转速降至一个合适数值从变速箱输出轴输出的过程。下表是一部Subaru Impreza的5挡变速箱的齿轮比。
|
挡位 |
齿轮比 |
引擎转速3000rpm时变速箱输出轴转速(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 |
主减速器(Final Drive)——调整变速箱齿轮比过滤后的转速。请注意几乎所有的车辆都有一套主减速器齿轮组。主减速器还被称为驱动桥齿轮减速机构(港台地区亦称其为"尾牙")。主减速器由一个小号主动锥齿轮(Pinion Gear)和一个大号从动齿圈(Ring Gear)组成，同差速器整合在一起[见汽车百科 传动篇（下）的差速器部分]。以上文的Subaru为例，这部车子的主减速比为4.444:1。引擎动力经过主减速器减速后流经差速器，驱动半轴，最后传递至车轮，主减速器是变速箱输出轴和驱动半轴之间的最后一级减速装置。以上表为例，当这部Subaru Impreza处于5挡/3000rpm时，变速箱输出轴转速4065rpm，经减速比为4.444:1的主减速器和差速器后，传递给驱动半轴的转速为914rpm。那么对于这部Subaru来说，假设轮胎型号为205/55R16，轮胎周长即为1.985m(6.512ft)(参见汽车百科 车轮和轮胎篇)。每分钟车轮转动914圈就意味着车子每分钟能够前进914×1.985=1.814km(5951ft)。每小时即为60分钟×1.814km=108.84km(67.62英里)。也就是说，知道变速箱的齿比和轮胎尺寸之后，你就能够计算出3000rpm时，这部车子5挡时速约为109km/h(68mph)。
齿轮组合而成的变速箱
Making those gears work together to make a gearbox
典型变速箱的内部结构如下图所示。你可以看到成对啮合的斜齿轮。图中位置相对靠下的轴称为第一轴(或称主轴/输入轴)，第一轴与离合器相连，直接从引擎处取力。与其平行且位置相对靠上的是第二轴(输出轴)。对机械盲来说读懂这幅图的难度不亚于登天。不过在你耐心读完下面这个章节之后，你就能够以一个专家的口吻说："嗯，这是一台5挡变速箱。
"
你是如何得出这个结论的呢？我们先将注意力集中到输出轴上。你可以看到输出轴上有5个斜齿轮和3组换挡拨叉(Selector Fork)。这些信息能够在最基础的层面上告诉你这是一台5挡变速箱(注意我的示例中没有倒档)，但这些械装置又是如何工作的呢？其实这比大多数人想象的要简单得多，当然读完下一段你可能需要仔细琢磨一翻。
离合器接合后(详见下文离合器部分)，输入轴始终保持旋转状态。由于输入轴上的(各档主动)齿轮与其刚性连接，所以它们将作为一个整体以相同的速率转动。而与其一一啮合的从动齿轮则空套在输出轴上，只能自转而无法驱动输出轴旋转。仔细观察换挡拨叉，你会发现拨叉能在一个环状物的外圆周卡槽中滑动，环状物的内圈加工有齿牙，我们将这个环状物称为接合套(Dog Gear)，齿牙则称为内接合齿圈(DogTeeth)。通过花键与输出轴相连的接合套可在其上前后轴向滑动。拨动换挡杆，整套机械推杆连接机构将改变一个或多个换挡拨叉的位置，进而推动接合套前后轴向滑动选取挡位。下面两张图中我渲染了换挡时3，4挡之间的细节部分。
当驾驶者移动换挡杆选择4挡时，在整个换挡机构的作用下，换挡拨叉后移，进而带动接合套沿输出轴花键后移，并最终使接合套内接合齿圈与4挡从动斜齿轮左侧的接合齿接合。这样接合套便与4挡从动齿轮连接在一起，由于接合套自身通过花键与输出轴相连，这样动力便可从输入轴经4挡主从动齿轮和接合套最终传递至输出轴。当驾驶者松开离合器踏板接通离合器时，引擎驱动力作用于输入轴，所有常啮合齿轮和之前一样旋转，但左起第4个斜齿轮(4挡主动轮)已经和输出轴连接在一起——此时变速箱正在4挡工作。
齿轮磨损：在上一个示例中，进入4挡的过程是这样的，首先，接合套内接合齿圈与3挡从动轮侧面的接合齿分离，然后接合套向后轴向滑动接合4挡从动轮。这就是你需要离合器的原因，但如果驾驶者的换挡动作不够娴熟的话，变速箱就会发出刺耳的噪音。有人将其误认为是齿轮轮齿相互摩擦的发出声音。但事实并非如此。其实这是由于转速差过大导致接合套内接合齿圈跳过从动齿轮的接合齿，未能与其成功接合所致。换挡时离合器放得太快便会出现这种情况，因为变速箱还未完全接合引擎的动力便已传递过来。此时变速箱是无法传递动力的。这就是为何在一些年头比较久的车子上需要使用两脚离合的原因。
两脚离合(Double Clutch/Double Declutch)技术通常在你驾驶老一点的车子时会用到，这种方法能够避免齿轮磨损。首先，踩下离合器踏板，卸掉从动轮接合齿上的压力，以便换挡拨叉和接合套与前一挡从动轮分离并移回中间位置；然后松开离合器踏板，轰油，使引擎转速提升至足以结合下一个档位的程度；最后再次踩下离合器踏板，拨动换挡杆改变换挡拨叉的位置，使接合套接合下一个挡位。
同步器——你不再需要两脚离合的理由。英文中Synchro，Synchro Gear和Synchromesh的含义相同，均指同步器。同步器的作用是在接合齿接合前匹配接合套和从动轮的转速，以便二者能够顺利接合。有了同步器之后，换挡前轰油或者做两脚离合的动作便可省去了，同步器会帮你匹配变速箱内各部件的转速。下图是我之前变速箱示例中的一部分，我将其剖开并用不同颜色进行了标示。绿色锥状的同步环(Synchro Collar)连接于红色的接合套上并能随之轴向滑动。在逐渐接近从动轮的过程中，同步环将与从动轮内锥面摩擦。在接合齿接合前二者接触得越充分，输出轴和常啮合自由旋转的从动轮的转速就越接近。由于变速箱输出轴与车轮机械相连，因此车辆行驶中输出轴始终处于旋转状态。而变速箱输入轴始终与引擎相连，不过一旦驾驶者操纵离合器切断动力，输入轴便可自由旋转。由于变速箱内的齿轮处于常啮合状态，因此同步器的任务就是调整输入轴转速，使其能够与接合齿正确接合。这意味着此时输入轴的转速已经不再和引擎相等，当然这也不是问题，离合器会温柔的平衡引擎和输入轴之间的转速差，将引擎拉到和变速箱输入轴相同的转速，当然反之亦可，这取决于引擎扭矩和当前的车速。
锥状同步环与从动齿轮内锥面接触,带动接合套加速转动
最后为了总结前文冗长啰嗦的描述，我渲染了一段动画，其中变速箱部件的运动会让你豁然开朗的。动画只展示了一个齿轮的接合。输入轴(蓝色)上固定有一个小号斜齿轮。开始时空套在变速箱输出轴(红色)的大号斜齿轮自由旋转，但与车轮相连的输出轴转速却与之不同。拨动换挡杆，换挡拨叉(金色)推动接合套沿输出轴花键轴向滑动。当同步器开始与大号从动齿轮接合时，斜齿轮的转速会在同步器的带动下增加，直至与输出轴转速相等。但由于从动轮与输入轴主动轮相啮合，这亦将带动输入轴加速旋转。当所有部分的转速相互匹配时，接合套入位与从动轮接合，接通离合器，引擎动力便可一路传递至车轮。
如何倒车？
What about reverse?
倒档齿轮基本上就是上文所学的延伸，只是额外增加了一个齿轮而已。倒档齿轮组采用3个齿轮相互啮合，而其他档位则只有两个。输入轴和输出轴上各有一个齿轮，两个齿轮之间还有一个小惰轮(Idler Gear)。这个额外的齿轮会令输出轴上的倒挡齿轮相对同轴其他前进挡齿轮反向旋转。倒挡齿轮的接合方式和其他挡位如出一辙——换挡拨叉推动接合套，锁住倒挡从动轮和输出轴。因为倒挡齿轮的旋转方向相反，因此当你松开离合器踏板时，变速箱输出轴亦会随之反转。整个过程就是这么简单。下图中我在之前变速箱示例的基础上增加了倒挡齿轮组。
碰撞式变速箱/犬式变速箱
Crash gearboxes or dog boxes
大段关于同步器的篇章之后，我们应该花点儿时间聊聊赛车变速箱。赛车变速箱也被称为碰撞式变速箱(Crash Box)或者犬式变速箱(Dog Box)，普通变速箱内部的斜齿轮在这里已经被直齿轮尽数取代。直齿轮在啮合时彼此的接触面积更小，这意味着摩擦更小，动力损耗也就更低。这就是那群搞赛车的家伙钟情于直齿轮的原因。
通常直齿轮多半都浸没在润滑油中，而非像普通民用车变速箱一样依赖飞溅润滑。因此直齿轮产生的额外噪音被润滑油的消声效应减弱为一种非常刺耳的高频电锯声(有人很喜欢对吗？)。
那么犬式变速箱又是何物呢？其实这种东西在很多年前就已经装用于摩托车上了。将摩托车上的这套玩意儿升级为车用规格应该是一位赛车技师的创意，促使他萌发出这个想法的原因也许是他希望能为车队找到一种在维修区快速改变齿轮比的方法，这样伙计们就不必"满地寻找散落在地面上的花键毂滚动轴承了"。
通常使用同步器的变速箱可在全段引擎转速区间工作，因为离合器将变速箱输入轴和引擎曲轴直接相连。由于之前通常设有一组减速齿轮，因此犬式变速箱只需在1/2-1/3的引擎转速区间工作。犬式变速箱接合齿圈(Dog Gear)上的接合齿(Dog Teeth)相比同步器式变速箱也有所减少，同时接合齿在圆周方向彼此还有一段间距。因此与同步器式变速箱接合套内接合齿圈和接合齿一对一的精确啮合不同，犬式变速箱的接合齿在圆周方向上彼此最多可以有60°的"自由空间"。这意味着犬式变速箱无需一对一的精确啮合，最多只需1/6圈便可让接合齿相碰接合所需挡位。下图可见同步器式变速箱接合套和犬式变速箱接合齿圈之间的区别。
碰撞式变速箱/犬式变速箱接合齿彼此间距更大,因此这种变速箱的接合完全摒弃了普通变速箱一对一的精确啮合方式,转而通过齿与齿之间的相互碰撞完成啮合,碰撞式变速箱因此而得名
通过减少接合齿数量，增大接合齿的尺寸和间距，降低变速箱运行转速等举措，集上述元素于一身的犬式变速箱表面上似乎易于接合。但实际上这种变速箱的接合依旧非常困难，驾驶者换挡时需要非常精确的掌控引擎转速，否则便可能出现打齿或接合齿彼此弹开无法入挡的现象。上述现象会让变速箱油中混入大量金属碎屑，最终导致变速箱过早大修，当然还要附带一笔不菲的开支。
但犬式变速箱在机械层面上更为可靠却是不争的事实，这种变速箱结构坚固，能够承受赛车巨大的动力和扭矩，这成为其在赛场上立足的根本。
本质上讲，犬式变速箱完全有赖于驾驶者完成正确的换挡动作。大概齐就是这个样子吧。现在的赛车变速箱大都装有点火切断装置。换挡过程中在接合齿接合的同时引擎点火系统将被瞬间切断，这样输入变速箱的动力也被瞬间切断，这极大的降低了接合齿接合的难度。当然我这里的片刻指的是毫秒级的。有了这套装置，车手在升降挡时可以彻底摆脱对离合器的依赖(静止起步除外)。如此一来换挡过程便可大为简化：先摘档，然后轰油使引擎达到合适的转速，接合齿接合的同时引擎点火切断辅助换挡。
现在甚至连轰油的动作都可以省了——先进的犬式变速箱能够先行通过油门输入调整引擎转速使其进入合适的区间。
然而即便拥有如此众多聪明的辅助装置，不够娴熟的换档动作仍然会带来严重的机械磨损，但在赛车中这些都无关痛痒，因为每场比赛后赛车变速箱都会解体大修。
承前启后的离合器
Before the gearbox - the clutch
现在你对齿轮的工作原理已经有了最基本的认识。在传动系统中，第二个关键部分就是离合器。离合器能够帮助你顺利换挡，并且无需在等红灯时将引擎熄火。引擎一直在运转，曲轴就一直在转，为了换挡和停车这两项最基本的功能，驾驶者需要一个能将持续运转的曲轴和变速箱断开的装置，于是离合器便应运而生了。离合器由最基础的3个部分组成：飞轮，压盘和离合器片。飞轮与引擎曲轴直接相连，离合器片则通过花键槽与变速箱输入轴相连。为了更好的理解下一部分的内容，请仔细阅读下面这两幅简图，因为离合器在工作中还涉及到其他一些部件(我在第一张图中将离合器盖渲染为剖视，这样其内部的结构就简单明了了)。现在我们开始吧。
上图中，离合器盖通过螺栓紧固于飞轮上并随之旋转。膜片弹簧(Diaphragm Spring)通过支承铆钉与离合器盖内侧相连，此结构能够允许膜片弹簧以支承铆钉为支点发生轴向形变。膜片弹簧外缘卡在压盘外缘的凹槽中。因此当曲轴旋转时，飞轮，离合器盖，膜片弹簧和压盘将一同旋转。
离合器踏板通过机械/液压机构与围绕分离轴承的拨叉机构相连。踩下离合器踏板时，分离拨叉推动分离轴承(Throw-out Bearing)沿变速箱输入轴轴向滑动，作用压力于膜片弹簧内边缘。膜片弹簧受到离合器盖内侧支承铆钉的阻碍，只得绕支点发生轴向形变，通过外缘卡槽的作用将压盘拉离飞轮，拉向离合器盖内侧。作用于离合器片上的压力得到释放，离合器片与飞轮分离。引擎曲轴末端的飞轮虽然继续旋转，但无法驱动变速箱。
释放离合器踏板的过程中，作用于分离轴承上的压力逐渐减小，膜片弹簧再次作用将压盘推向离合器片，使离合器片靠向飞轮。离合器片内部周向布置的弹簧将吸收离合器与飞轮接触瞬间产生的振动，彻底松开离合器踏板时，离合器内部已经压紧了。离合器片上的摩擦材料与飞轮紧密接合，带动变速箱输入轴以相同的转速转动。
烧离合
可能你听说过"烧离合"这个词。此时驾驶者含住离合器踏板(离合器处于半联动状态)，离合器片并未与飞轮完全接合。离合器片与飞轮间存在转速差，旋转的飞轮和离合器片摩擦材料间的相对滑动使离合器片升温，原理和刹车时刹车片与刹车盘的摩擦升温(见汽车百科 制动篇)相同。保持这个动作一段时间后你会闻到一股焦糊味，因为离合器片上的摩擦材料已经烧焦。在正常行车过程中也有可能发生这种状况，比如无意中把脚搭在离合器踏板上小憩，此时你对离合器踏板施加的轻微压力也许已经足够释放膜片弹簧，使得离合器不时的失去摩擦力甚至烧掉。
离合器打滑
"离合器打滑"这个词可能你也略有耳闻。此时离合器已经出现机械故障。要么是膜片弹簧弹性减弱无法提供足够的压力，当然离合器片的摩擦材料磨损过于严重的可能性要更大一些。在上述任何一种情况下，离合器和飞轮都没有正确接合，因此在重载荷，(齿比较小的)高挡位上加速或者上坡时，离合器将出现轻微的分离，与飞轮出现轻微的转速差。此时你可能会感到动力不足，或者你会发现如何提升引擎转速车子都无法加速。久而久之，这种问题最终带来的结果就如同上文所述——离合器烧毁。
摩托车"篮式"离合器
Motorcycle 'basket' clutches
某些Yamaha摩托车上的"篮式"(结构类似一个篮子)离合器似乎也值得一说。尽管基本原理和车用离合器相同(覆盖有摩擦材料的离合片夹成三明治状顶在飞轮上)，但设计却完全不同。关于"篮式"离合器的这段简短的描述将告诉你断开变速箱与引擎曲轴连接的方式不只一种。
"篮式"离合器必须做得非常紧凑才能塞进摩托车的车架中，所以其轴向尺寸不能过大。对于摩托车来说离合器还必须布置在易于触及的位置以便维修，但这对汽车用离合器来说基本不大可能。"篮式"离合器的底座(Clutch Boss)通过螺栓与引擎曲轴的延伸轴相连，其上加工有花键，其后布置有强力弹簧。金属制成的压盘能够在延伸轴上滑动，表面覆盖有摩擦材料的离合器片穿插于其中，构成三明治结构。离合器片的外缘开有花键，刚好能够插入到外面的蓝状壳体——离合器壳上的开槽中。离合器壳通过螺栓与变速箱输入轴相连，输入轴贯穿整个离合器总成直通变速箱。这是个颇为精巧的设计，我们继续使用图例进行讲解。
篮式离合器的工作原理非常简单。分离轴承在变速箱输入轴外侧滑动。拉动离合器手柄，分离轴承推动离合器底座，底座压缩离合器弹簧，卸去整个总成内的压力，将其转化为弹簧的弹性势能。这样摩擦片便可在压盘中自由旋转。松开离合器手柄，弹簧推动底座，将压力重新加载回整个系统，使压盘和摩擦片接合在一起传递动力。这就是第二类离合器的工作原理。
读罢这些关于离合器的文字(也许某些有点枯燥)，不知你是否有所收获，或许还有些意犹未尽吧，总之，搞清楚这些旋转的，加工有齿轮花键玩意儿的神奇之处不但非常有趣，还会增加你平日里驾车的安全系数。