本帖最后由 邢凯杰 于 2020-7-30 14:59 编辑
福伊特DIWA,也许不像ZF ECOMAT/ECOLIFE和艾里逊T系列再国内那么流行,但既然现在有时间,我不如转发一下Cody (香港巴士业界的创奇人物)介绍的VOITH DIWA系列变速器的演变。
淺談巴士動力系統-Voith DIWA全自動波箱
———————————————————————— Voith DIWA系列波箱在1950年代初面世(可再細分為供巴士使用的DIWAbus系列和供工業用車輛使用的DIWAmatic系列,本文只介紹DIWAbus系列),DIWA是德文「Differential-Wandler」一詞的縮寫,其中differential是差速器,wandler則是扭力轉換器。「DIWA」即代表波箱結構融合了這兩種元素,能夠以差速器將動力分流,同時通過機械和液力方式傳遞動力,而且自動隨車速提升而增加機械傳動的份額,以達致平順而無需轉波的起步加速行駛,並提升扭力轉換器的運作效率。 早期的DIWA波箱使用的扭力轉換器是Föttinger/Lysholm式,其特點是渦輪(turbine)位於泵輪(pump)外圍,由泵輪離心拋出的油液直接向外推動渦輪(centrifugal throughflow),泵輪扭力曲線大致平坦,與渦輪:泵輪轉速比的關係不大;而不會像採用向心液流(centripetal throughflow)渦輪的Trilok式扭力轉換器(例如ZF Ecomat波箱)般,當渦輪追上或超越泵輪轉速時就無法傳遞動力。 用以分配動力的差速器位於波箱前端,屬行星齒輪式結構。例如在145D3和D502-3型中,波箱前端行星齒輪組的齒環由引擎驅動,齒輪架帶動扭力轉換器的泵輪,太陽齒輪則與渦輪輸出軸相連,亦配有多片式離合器(multi-plate clutch )以直接咬合波箱輸出主軸。扭力轉換器的渦輪經freewheel連接到渦輪輸出軸(泵輪可單向驅動輸出軸,在以純機械模式傳動時泵輪則不被輸出軸帶動),再配合波箱後半部份的齒輪組決定各波檔的最終齒比。 至於200D、D501和D506型,其差速器則由兩組齒數不同的行星齒組構成。引擎驅動前端太陽齒輪,行星齒輪架帶動泵輪,後端太陽齒輪則連接泵輪輸出軸。與145D3和D502-3型一樣,渦輪只可單向驅動輸出軸,再經波箱後部的齒輪組做出不同齒比。然而,這種差速器沒有以內外主軸的結構連接波箱輸出主軸,也意味着波箱不設1:1的direct drive波檔。
———————————————————————— 上述的早期DIWA波箱都不曾在香港出現,本文的主角 — 由1974年推出的D851(三前速)和D854(四前速)開始演化至今的一系列DIWA波箱 — 在70年代中後期方由九巴引進香港,首次出現於四輛Dennis Jubilant樣辦車N1至N4和經過改裝的丹拿珍寶D738上;而吉拿6LXB引擎與Voith D851波箱這一成功組合,亦成為了Dennis Dominator、MCW Metrobus、利蘭勝利二型等各款兩軸雙層巴士的標準配搭。下文將會把D851和D854視為第一代DIWA波箱,DIWA.2則是第二代,如此類推。 D851和D854跟前代波箱的最大分別,在於扭力轉換器改用反向旋轉式(counter-rotating)取代Föttinger/Lysholm式,同時兼具減速器(retarder)功能。在波箱前端的差速器中,齒環經離合器EK連接引擎飛輪,行星齒輪架直接帶動波箱輸出軸(內主軸),太陽齒輪則驅動扭力轉換器泵輪(外主軸)。向外離心拋出的油液沿着扭力轉換器內壁流動,調頭向心經過導輪(guide wheel,固定於扭力轉換器內)折曲液流方向以增加輸出扭力,然後軸向(axial throughflow)流過渦輪。被液流驅動的渦輪,經過一波(又稱DIWA檔)所使用的行星齒輪組T(或後波所使用的行星齒輪組R)倍大扭力後,最終匯入波箱輸出軸。 究竟D851一系的DIWA波箱是如何將動力分流,同時以機械和液力方式傳動?這必須由行星齒輪組的「扭力平衡」原則說起 — 在平衡狀態下,太陽齒輪、齒輪架、齒環三者的扭力總和必定為0(相反方向正負抵銷),換言之三者之中必須有一組提供反作用力,扭力才可以在另外兩者之間正常傳遞,否則行星齒輪組只會空轉。在D851的差速行星齒輪組中,一波起步時,波箱輸出軸靜止,順時針轉動的齒環將太陽齒輪和泵輪驅向逆時針方向。當泵輪逆時針轉動,攪動扭力轉換器內油液所產生的阻力會以順時針方向反饋到齒輪組。因為引擎扭力與泵輪阻力都是順時針方向,而車輛向前加速時慣性(inertia)對波箱輸出軸施加的負載阻力是逆時針方向,所以在「扭力平衡」的原則下,引擎扭力(齒環)+ 泵輪阻力(太陽齒輪)+ 負載阻力(齒輪架)= 0。換句話說,差速行星齒輪組分配予齒輪架(機械傳動)的扭力就相等於引擎扭力與泵輪阻力之和。 以常見的Differential 4齒比(齒環86齒、行星27齒、太陽31齒,二波齒比1.36:1)計算,引擎與泵輪的轉速比是86÷31 = 1:-2.77(暫時忽略例如MCW Metrobus般的輸入端angle drive),扭力比則是31÷86 = 1:-0.36。當入一波而車輛仍是靜止時,假設引擎以1000RPM轉速輸出500Nm扭力(順時針),泵輪的轉速和輸入扭力就分別會是-2774RPM和-180Nm(逆時針)。如此一來,經由機械途徑傳遞的扭力就等於500 + 180 = 680Nm,是引擎扭力的1.36倍,正好與二波齒比相等。事實上,大家亦可以將一波理解為「離合器打滑」狀態下的二波,齒輪組的扭力比不變(機械扭力比 = 二波齒比),只是太陽齒輪所能提供的反作用力上限(泵輪阻力)取決於泵輪轉速。要強調的是,DIWA一波所輸出的加速力必定是同時經機械和液力方式傳遞,而且機械傳動的份額會隨車速提升而增加。即使機械傳動的功率在車輛靜止時為0,這亦不代表機械傳動只在車輛起動後才介入。相反,差速行星齒輪組一直以機械方式直接將部份扭力分配到波箱輸出軸,只是因為功率 = 扭力 × 轉速,當輸出軸靜止時功率就必然為0。 至於液力傳動這部分則較易理解 — 輸入泵輪的逆時針扭力,被扭力轉換器倍大和改變方向後,驅動行星齒輪組T的太陽齒輪順時針轉動。多片式剎車(multi-plate brake)TB將齒輪組T的齒環鎖止,使扭力最終再次被倍大,並經行星齒輪架匯入波箱輸出軸。齒輪組T有R0和R2兩個選項,當選用R0時,齒輪組T的齒數是齒環109齒、行星38齒、太陽32齒,得出的減速比是1 + 109÷32 = 4.406:1,意味着渦輪的扭力會被倍大至4.406倍才匯入輸出軸。所以,DIWA一波的扭力比等於「二波齒比 + (二波齒比 - 1)× 扭力轉換器變扭比 × 行星齒輪組T齒比」。以波箱配上Differential 4和泵輪S為例,一波stall ratio是5.05:1,其扭力轉換器的stall ratio則約為2.3:1;若以Differential 3和泵輪N的組合得出一波stall ratio為6.1:1去計算,則其扭力轉換器的stall ratio約等於2.5:1。 DIWA波箱提供多款泵輪設計供選擇,主要是為了配合不同引擎的輸出特性。引擎扭力曲線與波箱stall torque曲線兩者的相交點,決定了車輛在一波在靜止(stall point)起步時所能達到的最高引擎轉速。為了得到最佳的起步表現,理想的狀態是引擎在stall point的最高轉速處於峰值扭力(peak torque)範圍,以將引擎的最高扭力與波箱的最大變扭比相乘。 如果引擎屬於大容積、低轉速、高扭力的型號,應選用大尺寸泵輪(小泵輪在低轉速傳遞的扭力過低);相反,若引擎排氣量小、轉速高,則需配用小尺寸泵輪(引擎動力不足以將大泵輪推上高轉速)。
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