機動車為什麼要有擋,就像電瓶車一樣直接根據油門踩的多少來決定速度不是更方便嗎? | 知乎問答精選

 

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機動車為什麼要有擋,就像電瓶車一樣直接根據油門踩的多少來決定速度不是更方便嗎?

2018年07月20日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 1 ℃ 次

【無往的回答(89票)】:

說說我的理解吧,有錯誤請大家指正。

---------2014/7/16 update------------------

這麼早期的回答都被挖出來推薦,搞得我好緊張啊,特地看了一邊數字,還發現一些數字錯誤。

這樣搞突擊感覺不大好啊。

20140716 更新完畢

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--------------------------------------------------2013/11/28更新 ------------------------------------------------------------

感謝@imi huang的指正:

修正以下錯誤:

原為:

一般汽車1.5t左右,取 185/60 R14的輪胎的半徑41cm,我們可以看到上圖發動機輸出最大扭矩為 210N.m,而推動一輛車所需的最少扭矩為1500kg/9.8/0.41≒373N.m

修正後為:

一般汽車1.5t左右,取 185/60 R14的輪胎的半徑41cm,我們可以看到上圖發動機輸出最大扭矩為 210N.m。

假設忽略其他阻力(空氣阻力,坡度阻力,加速阻力),只考慮滾動阻力,且滾動阻力係數取0.1好了(通常滾動阻力係數在0.01~0.05之間,干沙的滾動阻力係數為0.1~0.3)而推動一輛車所需的最少扭矩為:1500kg*9.8/0.41*0.1≒603N.m

2013/11/28更新完畢

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一覺醒來覺得答得還有點遺漏

首先,在同一個擋位下,車速是由油門踏板控制的。

其次,至於為什麼需要有不同的擋位,請往下看。

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  • 首先回答為什麼要有變速器

變速器有以下作用:

1. 實現倒擋。在保持發動機旋轉方向不變的情況下實現使汽車實現倒退,總不能說要使車倒著行駛的時候先讓發動機停止了然後操作一個切換裝置使發動機反著轉,然後使車倒退。這樣發動機肯定會做得複雜並且這樣對發動機也有不利的一面。

2. 中斷動力。發動機不能實現自身起動,必須由電機或人力將發動機拖動到一定轉速之後發動機才能實現自身輸出的動力能夠維持自己轉動。如果這時不中斷動力帶著傳動機構啟動,可以想像,一啟動發動機,車子就自己往前走了。要是電機啟動的還好,坐在車裡頂多車自己往前走。要是你的車子的啟動方式是下面這樣的,呵呵,那您應該一邊跑一邊起動發動機?

當然,換擋的時候也是需要先將動力斷開再切換,這個容易理解。

3. 改變傳動比,簡單概括就是變速變扭,通過改變位,獲得所需要的功率扭矩,以適應不同的行駛條件。這個應該就是題主問題的關鍵點了

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  • 下面回答為什麼要有不同的擋位,也就要變扭變速

首先瞭解以下概念

1. 扭矩與功率的關係:

P為功率 T為扭矩 N為轉速

2.槓桿原理:

傳動比

3 發動機的全油門特性

上面是我隨便從網上找的一個圖片。

一般的發動機的特性都是這樣的曲線。(如果你對發動機有更多瞭解,好吧,沒錯你猜對了,這個應該是一款渦輪增壓發動機。)

最上面的紅線是扭矩曲線,下面的紅線是功率曲線,最下方的是油耗曲線。

可以看到,隨著發動機轉速的增加,功率是一直上升的,扭矩則是先上升然後保持在一個最大扭矩點然後下降(渦輪增壓發動機的扭矩特性!),而油耗曲線則是呈現一個類似U的一個曲線,在2000轉到3000轉的時候油耗處於一個比較低的水平

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概念完畢。

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下面講為什麼需要變扭

一般汽車1.5t左右,取 185/60 R14的輪胎的半徑41cm,我們可以看到上圖發動機輸出最大扭矩為 210N.m。

假設忽略其他阻力(空氣阻力,坡度阻力,加速阻力),只考慮滾動阻力,且滾動阻力係數取0.1好了(通常滾動阻力係數在0.01~0.05之間,干沙路面的滾動阻力係數為0.1~0.3)而推動一輛車所需的最少扭矩為:1500kg*9.8/0.41*0.1≒603N.m。請記住603這個數!

也就是說發動機即使輸出了最大扭矩,依然無法推動汽車動起來。

沒錯,這種感覺與「使出了吃奶的勁,憋紅了臉,但依然徒手擰不動一個小螺母」的感覺是一樣的。那麼這時你應該怎麼辦呢,你需要一個扳手,握著扳手的末端擰這個螺母,你會發現輕鬆多了,根據槓桿原理,力臂增加了,同樣的力乘以力臂,力矩增大了,螺母竟然可以擰動了!

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下面講為什麼需要變速

由1 式可知,發動機在一定功率和轉速下輸出的扭矩是一定的,如果直接將這個扭矩和轉速直接按照1:1的傳動比傳動到車輪上,顯然可以知道:

1. 上面簡單運算可以得知這個扭矩肯定不足以推動汽車的,

2. 即使扭矩可以推動汽車,車輪的轉速和發動機的轉速動一致,拿最低1000 r/min來運算好了,可以得出全油門時的車速為

沒錯,你沒看錯,竟然這麼簡單就到了155km/h,那6000轉的轉速呢,155*6=930km/h!?不就成坑爹了嗎?也就是說其實我們的車輪沒有必要那麼高的轉速。

接下來變速器閃亮登場啦!

通過槓桿原理的式子可知,扭矩T1固定了,要想獲得更大的扭矩T2來驅動汽車,那就必須獲得一個大的傳動比。也就是將發動機輸出的轉速降下來,扭矩升上去。

我們拿一擋的減速比來舉例子,一般汽車在3左右,主減速比為4,然後我們簡單粗暴地再算一下,輸出到車輪端的扭矩增加了12倍,到了210*12=2520N.m。

遠大於603Nm,車子竟然能輕鬆推動了有木有!車輪的轉速也降低了12倍,車速速度也沒有那麼嚇人了,這下舒服多了有木有?!

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下面講為什麼需要不同擋位。

這是因為汽車在不同的工況下需求的扭矩和轉速是不一樣的。

例如剛起步的時候,發動機轉速比較低,由1式我們可以知道,對應的扭矩也很低。而起步時我們需求的是大扭矩,低車速,這時相應地速比可以做得比較大,以獲得更大的扭矩。

而在我們高速行駛時,我們則期望的是相對小的扭矩和比較高的車速,這樣我們就需求一個比較大的速比。由此我們需要設計多個速比來滿足這不同的扭矩和速度的需求。

當然還有另外一個比較重要的原因—通過改變擋位來獲得更低油耗。比如我們開到120km/h,那麼我可以採取4擋使發動機高轉速運轉能達到或者5擋使發動機在一個較低的轉速能達到。

而從上面那個發動機的特性圖我們可以看到,在2000轉到3000轉這個轉速範圍,油耗是比較低的,那麼我肯定會選擇讓發動機轉速落在這個區間的擋位,這樣才比較省油,而我發現5擋發動機更傾向於落在這個區間,那我有5擋的話肯定掛5擋。

【穆楊的回答(18票)】:

汽車到底為什麼要換檔,實際跟變速自行車一樣。 變速自行車應該絕大多數人都騎過,自行車為什麼要變速? 對於普通自行車,前後齒輪比是固定的。腿蹬的圈速就決定了車的速度,蹬的快車就快,反之亦然。

對人來說,蹬的太慢省力,但是發不上力。 蹬的太快又浪費的體力太多,空著快速蹬也是累的,也就是說,快速蹬的話很大一部分體力消耗在自身的運動上了,沒有有效的驅動車子。

那麼,肯定有一個最佳的腳蹬速度範圍。每分鐘N圈,在這個範圍內騎車,即不太費力,車的速度也很好。 但是對於普通自行車,蹬速決定了車速。 如何保持每分鐘蹬20圈的時候車子可快可慢? 於是變速自行車出現了。 它的目的就是通過齒輪的變換,讓腿一直處在最佳蹬速內,然後讓車在你希望的速度行駛。

汽車的換檔跟這是一回事。發動機就是我們的腿,汽油就是我們的體力。 既要省油又要保證動力,那就要讓發動機一直保持在最佳轉速。

【知乎用戶的回答(5票)】:

不知道提主是不是女生,她們提這個問題只是需要告訴設計者她們的車上有油門剎車就夠了,不需要知道這些原理類的問題,更不需要有檔把這種多此一舉的東西。

油門代表速度只是一個設計,想像這樣一個汽車,油門深淺表示速度多少,鬆開踏板是否需要剎車由電腦控制,乃至於放開油門就表示P檔和全力剎車。車上只有前後兩個按鍵而不需要檔把,換擋交給電腦,這樣不是也很好麼。

【知乎用戶的回答(1票)】:

正常家用車的汽油發動機,轉速由700-6000轉每分鐘裡面,

700是維持汽車啟動的最低消耗轉速,

1500-3000轉是發動機速度提升最明顯並且燃油消耗效率即最省油的轉速,

3000-4000轉是以提高油耗為代價換取輸出高功率高扭矩的轉速,

4000轉往後就已經是極度耗油並且提升功率的油耗比最差的範圍。

可以理解,發動機可以最有效利用燃油燃燒效率的就只有1500-3000轉這一段。

但是僅僅是這一段的轉速範圍,根本覆蓋不了汽車從靜止到80km/s的動力需求。

其實,簡單理解就是為了省油。就是省錢。

並且,汽車行駛還要面對各種路況,最常見的比如爬坡,牽引,汽車的靜止慣性等等,這些情況都必須要使用發動機最高效的功率輸出範圍。

【王朝勳的回答(1票)】:

這,和山地自行車為什麼需要變速器差不多一個道理吧…

【禹剛的回答(1票)】:

這個問題問的好呀!我第一眼看到時竟然懵了,不知道該怎麼回答了。太基礎的問題,反而不好回答。

汽車為什麼要有檔呢?要從發動機的特性說起。發動機的特性,是發動機的固有屬性,就像太陽的東昇西落一樣,發動機製造出來之後就產生了,是一種客觀存在,人們只能去利用只能去適應而無法改變。

汽車上汽油機的轉速範圍大概在750~6000r/min,對應不同的轉速分別有不同的輸出功率、扭矩、油耗率,把這些參數以轉速為橫坐標畫在同一個坐標系裡,就是發動機的特性曲線。

發動機的轉速太高,扭矩太小,直接來驅動車輪的話,帶不動車輪,即使能帶動汽車的速度也太快。這種汽車是無法使用的。因此需要「有檔」,需要變速器去減速增扭。

再說,無級調速的問題。

電動車之所以能無極調速,是因為電動車使用的是電動機而不是內燃機。電動機的特性和汽油機的特性有本質的區別。可以通過控制電動機的驅動電流,來無級的改變改變電動機的轉速和輸出扭矩。而汽油機卻無法通過改變空燃比來達到同樣的效果。

實現汽車的無級調速,是很多汽車工程師的夢想。現在可以通過,無級變速器實現。比如奧迪的01J變速器。

不是汽車不想像電動車那樣無級調速,而是不能直接無級調速,要通過無級變速器實現無級調速。

【朱明龍的回答(0票)】:

貌似內燃機的轉速跟電動機的轉速控制不一樣?

【喻傑的回答(0票)】:

檔位決定扭矩,力量。低檔位速度低的同時能輸出高扭矩,在爬坡或者崎嶇山路很好用,而且省油。這是由汽車的特性決定的,畢竟不能把汽車和電車做比較。雖然現在新能源是趨勢,但目前為止,誰也沒見過貨載十幾噸的電車對吧。

【MoxosYuri的回答(0票)】:

變速器主要是靠改變傳動比來改變輸出扭矩的。

【imihuang的回答(0票)】:

扭矩即是力矩,力矩=mgr=1500kg*9.8N/kg* 0.41m=6027N.m 看不多作者為什麼是1500/9.8/0.41?謝謝

【Kaliphornia的回答(0票)】:

先不提無級變速箱。如果沒有檔位,傳動系統勢必會以一個固定的傳動比傳遞動力,為了兼顧日常使用,應當設定一個適中的傳動比,比如大致相當於一般變速箱3擋。那麼,你知道始終以3擋開一輛車會出現什麼樣的狀況嗎?

再來說無級變速箱,沒有檔位的概念是由於它可以無縫地改變傳動比,但是無級變速箱工作時會產生滑動,並且對於扭矩的承受範圍是非常有限的。

【李定知的回答(1票)】:

高中物理。

簡單的說,油門是控制加速度的,而不是控制速度的。油門踩得越深,加速度越大,速度卻不一定快,只是速度可能增加的快;加速度小,速度也不一定慢,只是速度改變的慢。

【DaisyKOO的回答(0票)】:

跟樓主一樣的想法,學車ing,掛2檔老是不小心掛到4檔去。。被教練說的好心塞。。

【劉彥達的回答(0票)】:

9按

【貓三玖的回答(0票)】:

有自動擋,用不著你操那麼多心

【王二的回答(0票)】:

具體的部件我不知道,但大概原理和槓桿原理還有滑輪類似吧。

【謝謝的回答(0票)】:

自動檔的車正向著這個方向努力

【大熊那個貓的回答(0票)】:

有這樣得啊,你說的是自動擋!

【碎眸花央的回答(0票)】:

如果沒有檔,那豈不是和電瓶車自行車一個層次了。你以為買車真的只是為了代步嗎?

【楊靜陽的回答(0票)】:

那加速踏板行程要多大……

標籤:-汽車 -電動車 -機動車改裝


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