手挡车如何换档

这篇文章是给开车已经有一点经验的同学写的。正在学开车,开自动档和开车多年的老司机就不用看了,^_^

开手挡车如何换档是个说简单也简单但是说复杂了却又非常复杂的问题。这里讨论一下我自己的理解,并尝试用具体数据来解释常见的问题和其背后的原因。因为没有找到大众车型的具体参数(也许是大众车就不用这么仔细研究了吧),我这里用Audi R8的V10 5.2L引擎的参数来分析(高档车,当然自己没开过,火力肯定比较大)。

基本概念

首先说,什么是档,为什么要换档。档(gear)其实是发动机和车轮之间的变速传动装置。发动机的速度范围是恒定的,正常驾驶的速度范围比较窄。如果直接用发动机来驱动车轮,就会出现汽车启动的时候汽车非常脆弱,开到高速的时候发动机又接近于崩溃一般的撕心裂肺。车档的使用,则给了发动机转速和车轮转速的几个选择。在低速的时候,我们可以用低档来增大发动机的输出功率;相反在高速的时候,降低发动的输出功率(保护发动机也降低油耗)。

下面我们用数据来说明这些问题。用R8 V10发动来说,它的基本参数如下:

各档的传动比: 1档:4.373 2档:2.709 3档:1.925 4档:1.502 5档:1.239 6档:1.035 倒档:3.713
最高扭力: 391 lb ft (6500 rpm)
最高输出功率: 525 hp (8000 rpm)
最高速度: 196 mph (8700 rpm)

我们都知道用1档启动。1档的传动比是4.373,也就是说,引擎转4.373圈,车轮转1圈。学过物理的同学应该都知道,用滑轮来降低作用力的结果是增大作用距离,因为总的做功不变。这里一个道理,引擎转多圈轮胎才转一圈,引擎需要输出的功率就变小了。所以车容易启动,不容易憋火。

现在再来看看这款V10引擎的扭力和功率曲线:

torque_power
图1: 不同引擎转速下的扭力和输出功率

这里的横坐标是引擎的转速(engine speed),纵坐标分别是扭力(torque)和输出功率(power)。扭力是引擎在某一转速时的作用力大小,或者理解为可以用于加速的力,输出功率则正比于扭力乘以转速,即输出功率。显而易见发动机的扭力是非线性的。每款发动机不一样,但都有一个扭力最大值,这里的扭力最大值是391 lb ft,达到最大的转速是6500rpm。一般来说开车不会把引擎开到扭力最大值,因为高转速比较容易损坏发动机。发动机一般工作于小于扭力最大值的转速范围。这里即1000rpm到5000rpm的范围。

档位分析

有了扭力和功率的曲线,利用不同档位的传动比,我们就可以估计在不同车速和档位下引擎的扭力和输出功率:

gear_torque
图2: 不同车速和档位下的扭力

gear_power
图3: 不同车速和档位下的输出功率

关于如何换档的问题其实都来源于上面这两张图:车速和扭力的关系;车速和输出功率的关系。可以看到,在一个速度下,假设引擎工作于正常工作区间(1000~5000rpm),抵挡的扭力和输出功率都高于高档。有了这些基本信息,我们可以开始讨论一些实际问题了。

问题1:为什么必须换档?

这个问题其实很好回答,为了不损坏发动机。假设我们要开到50mph的车速,但是仍然挂着1档,根据图2和图1,引擎的转速都超过最高转速了!所以必须换档,至少换到3档。

问题2:为什么换抵挡的时候要慢松离和,高档则无所谓?

一般来说当引擎的转速到达一定转速就需要换档了。我们假设一个加速的过程,图4给出了一个理想的换档扭力曲线。每当发动机到达4000rpm的时候,一个想象中的超级高效的驾驶员向上换一档。

drive_torque
图4: 4000rpm换档的扭力和引擎转速

根据上图,当从1档换到2档的时候,引擎的转速需要从4000rpm降到~2500rpm,转速差高达1500rpm; 同时扭力从~370 lb ft降到~320 lb ft,扭力差在50 lb ft。而从4档换5档的时候,转速差只有~600rpm,扭力差只有~25 lb ft。可见低档换档的时候引擎需要调整的幅度最大,因而最慢。所以我们需要缓慢松离和,给引擎一个较长的缓冲调整过程。

不光加速,减速也是一样,只要是换低档,都需要慢松离和,越低越慢。

问题3:为什么低档加速换档的时候会建议挂挡前或同时稍微踩脚油门?

这里踩脚油门有两个好处:

  1. 其主要的好处换档的过程会更加平缓。拿图4中的1档换2档来说,换档过程是引擎减速扭力和功率下降的过程。换档后车的扭力较小,加速度变小。踩一脚油门实际上就是临时提高引擎转速,这样能抵消一些加速度变小的作用(部分低效换档造成的扭力下降)。

  2. 另外一个好处是防止憋火。特别是抵挡,由于需要慢松离和,所以换档后的转速可能低于图4中的转速,导致2档的扭力过小,如果小于引擎持续工作的最低扭力,引擎就憋了。所以,加一脚油门有利于防止憋火,尤其新司机可以试一试。

问题4:急刹车的时候抢档是怎么回事?

刹车抢档就是在刹车的时候迅速挂低档,利用引擎在低档的时候更大的阻力来帮助刹车。假设现在的车速是60mph,挂在6档,我们需要迅速刹车,如何抢档呢?

gear_torque_60
图5: 减速抢档

首先,当踩油门的时候,扭力越大加速度越大,反之如果不踩油门,引擎被惯性驱动,扭力越大引擎自身的阻力也越大。所以在减速的时候我们也希望加大引擎扭力来尽快减速。在高速公路上驾驶时需要急停,抢档就是生命线了。

如果不换档,那么随着刹车,扭力会随着6档的方向降低,扭力较小,只有330 lb ft,发动机没有起到多少帮助。所以,我们应当迅速的挂上4档(甚至3档,如果不怕毁车),这样就获得了350 lb ft的扭力。

但是,是否挂的越低越好呢?其实不是。比如说我们这个时候抢挂2档,看起来是不错,扭力有370 lb ft,但是引擎已经超过了正常转速范围,会损坏引擎。所以一般来说,即使抢档,也要一步一步的抢,不能一下子就抢到很低,这时候你会听到引擎撕心裂肺的叫,而且速度也不一定就减的慢。还有一个问题,抢档的档位扭力差比较大,所以抢的时候,离和也不能松的太快,也要带一下。

问题5:为什么高档省油?

一般来说输出功率和油耗有很强的正相关。那么,让我们画一个在不同档位下输出功率/车速的曲线来近似油耗。

gear_consumption
图4: 不同档位下的油耗

这张图可以看到,用低档开车的油耗简直高的不行,所以很显然能用高档就用高档开车啊:-)

这张图也解释了另外一个问题。如果要加速快,一般来说就需要延迟换档,就是说每次换档的时候都把引擎跑到高转速,比如说5000rpm,这样每次换档需要调整的扭力差变小,换档时间变小。平均扭力也提高,所以加速度比较大。但是车运行在低档的时间比较多,根据上面的油耗,加速需要的油就变多了。简单说,想要马儿跑的快,就要多喂草。

好了,就说到这里吧。

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关于 W. Song
Research Associate in the University of Cambridge

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