作者:程冠華

前言

一般乘用車輛的變速系統,大略區分為:液壓傳動的自排變速系統以及需駕駛者選定檔位的手排系統。前者的優點為舒適性高、操作容易,後者則為油耗佳、反應敏捷。同時擁有兩種變速系統的優點,是各大汽車廠以及專業變速箱製造廠的努力目標,也是近年陸續推出的各式新型變速箱的演進方向。 因應這個大趨勢,DSG變速箱便是福斯/奧迪集團的最新也是最佳回應。

變速箱簡單的說,就是一具將動力轉換成各式各樣轉速+扭力之組合的機器;內部被各式內外組合的精巧齒輪所充塞,要在局限的空間內,搭配出各式變速組合,複雜度與設計難度其實已不下於一顆引擎。要將這種精巧機械的運作原理說明清楚,本來就不是容易的事,要用平面圖形的方式說明,更是難上加難;相信即使是現役機械工程師,也不見得能夠單從文字的表達中瞭解其作動原理。這正是儘管DSG已經問世許久,敝人卻遲遲不敢著筆講解的原因之一。

儘管如此,以下的說明將儘量用淺顯易懂的方式表達或比喻,重點在於讓沒有機械背景的車主能夠理解這顆變速箱的大略運作原理,所以不會使用太多的專門用語,讓工程界的諸位先進建校之處,敬請包涵並體諒。

DSG變速箱大致區分為離合器、變速齒輪組、電機控制系統三大部分,各部份作動原理說如下。

離合器

既然名為雙離合器變速箱,就表示它有兩套離合器,在這塈畯怚咢1與K2表示。首先說明的是K1離合器,K1是主要的動力接收源;從引擎飛輪傳送出來的動力就是與K1直接連結,再經由下面會說明的過程送入變速箱內轉換。

右圖紅色斷面就是K1外離合器的承載外殼,各位可以用這個方式理解:想像K1外離合器載殼是一個大碗公,堶排^著好幾層的盤子,碗公內緣有成排的齒輪狀凹凸槽,盤子外緣也有與之對應的凹凸槽,所以盤子可以一片一片地放入碗公中,但不能在碗公中旋轉。而且盤子的中間部分是中空。要注意的是,斷面呈紅色的K1離合器載殼,是會跟著引擎旋轉的一整個個體。

K1內離合器載殼,則是中空的盤子的內緣與碗公的外緣結合,同樣地,盤子內緣可以在碗公的外緣上下移動,但是不行旋轉,這些"盤子"就是離合器。

如果要把動力傳輸給一號輸入軸,控制電腦會對K1油壓室加壓,一號柱塞因而被推動,K1內離合器載殼跟K1外離合器載殼所屬的離合器(就是那些不會跟著碗公選轉,只能順著齒輪左右滑移)便會相互結合,K1內離合器載殼跟著選轉,與其緊密集合的一號輸入軸便跟著轉動(一號輸入軸和K1內離合器載殼緊密結合,在右圖中的斷面圖呈藍色)。

一號輸入軸上有一檔、三檔、五檔、倒檔之齒輪,本文後面會針對檔位切換做進一步的說明。

接下來我們看第二組離合器,也就是K2離合器;它的運作原理跟第一組離合器一樣:當K2油壓室加壓時,K2柱塞會被推動,讓K2內離合器載殼、K2離合器、K1外離合器載殼,三者結合在一起,動力便從K1外離合器載殼,傳輸到斷面呈綠色的二號輸入軸。

二號輸入軸上有二、四、六之檔位齒輪。請注意二號輸入軸是中空物體,一號輸入軸裝置於二號輸入軸的內部,兩者各自運作互不干擾,兩者的相對位置如下圖所示。兩支輸出軸上的脈衝齒輪,是電腦需要隨時監控輸出軸轉速,讓感應器能夠藉著脈衝計算轉速,所設置的。

 

變速齒輪組

行文至此所提到的一號輸入軸與二號輸入軸,其中的"輸入",是針對傳動齒輪組而言;動力經過輸入軸進入變速齒輪組,經過轉速和扭力的轉換之後,會經由二支輸出軸將動力輸出至差速器,動力接著到傳動軸/車輪。

輸出軸上的鎖定環功用是讓兩個即將契合的齒輪的轉速能夠同步化,以避免齒輪碰撞造成損傷。

它的運作原理是讓與中心軸同步轉動的同步環或者是外環/中介環/內環的組合體,去推動摩擦錐,讓靜止的齒輪轉動起來。

1,2,3檔由於入檔的齒輪速度差異太大(車輛速度低/引擎轉速高),所以需要使用圖左邊較複雜的同步器,這種含有三個摩擦界質的結構可以產生較大的磨擦力,容許較高的轉速傳動。4,5,6檔的轉速差異較小(車輛速度高/引擎轉速低)故使用圖右方較簡單的版本即可。

讀者如果希望對同步器有進一步的了解,坊間汽車原理書籍中關於自排/手排變速箱的部分,有類似的機構可推類比較,增進理解。

 

下圖是差速器之於其他變速齒輪組的相對位置圖;差速器的功用是讓車輛在轉彎時,讓左右兩輪之旋轉角速度容許一定程度的差異。差速器齒輪組的軸心上裝置P檔鎖定齒輪;當檔位排入P時,鎖定棘勾機構會勾住鎖定齒輪上的溝槽,使車輪靜止不動。當排入P檔時,彈簧一會拉緊,讓鎖定棘勾產生向下的推力。當排出P檔時,滑片會往右方推出,二號彈簧會將鎖定棘爪拉出,使其與鎖定齒輪分離。

 

各個檔位的齒輪契合順序如下圖所示,必須注意的是齒輪之間的契合/分離狀態,下圖沒有清楚地標式。對於各齒輪之間相對動作有興趣的讀者,同樣地請參考"汽車原理"中關於手排變速箱的部分,以獲得更清楚的說明。

電機控制系統

右圖右邊是DSG變速箱的控制系統單元的外觀,表面上彎曲的凹槽是油道。電線接頭下方背面的塑膠外殼裡面藏有控制電腦。整個控制器單元浸泡在變速箱油堶情A是一種體積小的緊緻的設計。根據廠方的說法,可靠度並不會因為體積小而打折扣;它的運作溫度範圍為攝氏負40度至正150度,可承受瞬間33重力加速度,而不影響其運作。

右圖左邊是拆掉控制電腦後內部機械結構的模樣;它包含了:用以控制八個檔位置動器的六個油壓調節閥、五個檔位致動閥,也控制冷卻兩個離合器的油壓與流向。

如右圖下所示,N88~N91是四個檔位致動器閥;N92是分配變速箱油走向的多路分配器、N215是K1離合器的油壓控制閥、N216是K2離合器的油壓控制閥、N217是主要油壓控制閥、N218是冷卻器用油壓控制閥、N233是K1離合器的安全閥、N371是K2離合器的安全閥。

上述控制油路的閥門分為兩類:一是非開即關的邏輯閥門,二是可微調控制的壓力調節閥。前者有檔位致動器、多向分配器,後者有主壓力閥、離合器閥、安全閥、冷卻閥。


右圖為油路上各主要元件的相對位置圖,其中的變速箱油幫浦是整個供油系統的心臟,它負責提升油壓到一定程度,足以推動各個檔位致動器閥、檔位分配器,並維持足夠的流速以確保變速箱油獲得足夠散熱。它的最大流速為每分鐘200公升,最大壓力為20大氣壓力。

下圖是整個油路系統的方塊圖。變速箱油幫浦將變速箱油從油槽(油底殼)抽上來後,變速箱油分為兩個方向流動:

冷卻用─變速箱油經過主壓力滑動閥的分配油路與控制壓力後,流向變速箱油冷卻器。冷卻過的油用來冷卻其他機件,油路分為兩個方向:一是透過噴嘴冷卻兩支輸出軸上的因相互轉動而升高溫度的各個變速齒輪。二是流向兩個離合器,帶走因摩擦所產生的大量熱量。

工作用─提供各個檔位致動器、K1與K2離合器、多路分配器等元件足夠且穩定的油壓,以確保變速箱正常運作。

安全閥的作用是確保系統安全之用,萬一因為不可預期的意外,導致油壓升高,超過32大氣壓力,安全閥便會打開洩壓,以保護機件。多向分配器係由多向分配器閥所控制N92,當N92不作動時,多向分配器會被彈簧推到底部,此時1,3,6,倒退檔位可以被選擇。N92動作時,油壓進入多向分配器,彈簧被推抵,閥門轉換位置,2,4,5空檔可以被選擇。文章一直提到的檔位致動器閥,每個檔位之所以沒有專屬的檔位致動器閥,是因這這樣的配置很浪費空間及成本,而且實際上的使用也不需要。所以設置了多向分配器,讓N88~N91四個檔位致動器閥可以控制1~6檔,倒檔,空檔八個檔位。請注意下圖的檔位致動器的結構其實就是活塞缸,藉由本質上是電磁閥的檔位致動器閥,控制油路走向,來推動齒輪的移動。