问题

为什么档位越高踩油门的时候发动机转速上升的越慢呀?

回答
这个问题其实是个挺有意思的机械原理,说白了,跟自行车变速的道理有点像。咱们一句一句把它掰开了说。

你想想,你骑自行车的时候,如果挂的是一档,就是那个最小的齿盘配最大的飞轮,你蹬一下脚,后轮转得飞快,速度也上来了,但是你使劲儿蹬,感觉脚下阻力挺大的,但它就是那么“沉”,只能慢慢提速,对吧?反过来,如果你挂的是最高档,最大的齿盘配最小的飞轮,你蹬一下脚,你会发现,好像链条转得没那么费劲,蹬起来很轻松,但后轮转速也上去了,不过感觉没那么“蹿”,速度提升相对没那么直接。

汽车的变速箱,尤其是有档位的(比如手动挡或者自动挡的低档位),也是类似的道理。

核心在于“传动比”。

咱们可以把发动机想象成一个非常有劲儿,但是转起来有个上限的“泵”。这个“泵”能提供的“力”是有限的,但它能提供的“转动速度”是可以调整的。而车轮,你需要它转动起来,才能往前走。

低档位(比如1档、2档):

特点: 变速箱里,发动机连接的齿轮(输入轴齿轮)和驱动车轮的齿轮(输出轴齿轮)的尺寸比例,是“发动机端的齿轮小,车轮端的齿轮大”。
作用: 这种设计叫做“增大扭矩”,也就是“放大力量”。想象一下,你用一根很短的棍子去撬动一块大石头,力量传递的时候,你会觉得特别费劲,但它能提供巨大的杠杆作用。
踩油门时的表现: 当你踩油门时,发动机转速开始升高。这些转速被传递到变速箱,通过低档位的“大齿轮吃小齿轮”的 ratio,就像给车轮施加了一个很大的“扭力”。这个放大的扭力,能够非常有效地克服车辆的静止阻力(惯性、轮胎摩擦、空气阻力等等),让车辆从静止开始,或者在低速状态下,能够快速地获得加速度。
为什么转速上升慢? 因为大量的发动机“转动能力”被用来“放大”成“驱动力”。想象一下,你的“力气”(发动机转速/力量)被分配给了“快速转动”和“提供巨大扭矩”两件事。在低档位,系统更倾向于将你的力气转化成“巨大的扭矩”,所以发动机转速即使升高了,传递到车轮上的“扭矩”会非常大,能把车推出去。但这就好像你用一个很小的齿轮带动一个非常大的齿轮,要让那个大齿轮转一圈,小齿轮得转很多圈。反过来,如果让你那个“大齿轮”(车轮)转得更快,小齿轮(发动机)就得转得飞快,而且因为比例的原因,能传递到大齿轮的“扭力”就相对没那么夸张了。
所以,在低档位,你踩油门,发动机转速确实在上升,但它主要是在“积蓄”那种能够“爆发”出去的“扭矩”,同时把一部分转速“贡献”给了“放大”这个过程。你会感觉到车子“有劲儿”,但你可能没那么直接地感觉到发动机转速“飞涨”。

高档位(比如5档、6档):

特点: 变速箱里,发动机连接的齿轮(输入轴齿轮)和驱动车轮的齿轮(输出轴齿轮)的尺寸比例,是“发动机端的齿轮大,车轮端的齿轮小”,或者接近1:1。
作用: 这种设计是为了“直接传递动力”和“保持高效巡航”。就好比你用一根长度合适的棍子直接去推一个东西,传递的力量很直接,效率很高,但杠杆作用不明显。
踩油门时的表现: 当你挂入高档位,踩油门时,发动机转速也开始升高。但是,这次的传动比,是将发动机的转速更“直接”地传递给车轮,或者说“放大”的倍数小了很多。
为什么转速上升慢?
1. 传动比小,扭矩放大效应弱: 高档位的设计,主要是为了让发动机在相对高的转速下,能以更高的速度驱动车轮。这时候,车辆的惯性和其他阻力(尤其是风阻,随速度平方增加)已经不像起步时那么显著了。你需要的是“速度”,而不是“爆发性的扭矩”。因此,传动比做的很小(接近1:1),发动机的“转速”几乎是原封不动地(或者只稍微放大一点点)传递到了车轮上。
2. 发动机功率有限: 每台发动机的功率都是有限的。功率 = 扭矩 × 转速。在高档位,你踩油门,发动机转速自然会升高。但因为传动比的关系,发动机转速升高后,传递到车轮上的“扭矩”其实并不算特别巨大(相比低档位)。如果你想让车子以更高的速度行驶,发动机就需要同时提供更高的“功率”。而“功率”的提升,需要发动机转速和/或扭矩的共同提升。
3. “力”的分配变化: 在高档位,你踩油门,发动机的“力气”更多地是用来“维持”和“稍微增加”车轮的“转速”,而不是像低档位那样,主要用来“克服巨大的阻力并快速放大扭矩”。所以,当发动机转速上升时,它需要更多的“输出”才能让车轮的速度线性上升,这时候,你感觉到的“加速度”不像低档位那样“迅猛”,转速上升也就不那么“容易”或者“明显”了。
4. 发动机工作区间: 很多车型的发动机,在较高转速下,输出的“扭矩”反而会下降。高档位的时候,你踩油门,如果发动机转速已经在一个比较高的区间,它可能很难再进一步快速提高转速,因为它输出的“扭矩”已经不足以快速拉升车轮转速了,就好像你骑自行车到了平路,挂了高档,拼命蹬,但一旦蹬速跟不上,你就很难再加速了。

总结一下:

低档位: 牺牲了“转速的快速提升”,换取了“巨大的驱动扭矩”。适合起步、爬坡、低速加速,让车子能“有劲儿”。
高档位: 牺牲了“爆发性的扭矩”,换取了“高效的动力传递”和“更高的车轮转速”。适合匀速巡航、高速行驶,追求燃油经济性和平顺的加速。

所以,当你在高档位踩油门时,发动机需要的是“更高的功率”(功率 = 扭矩 × 转速)来拉升车轮速度,但由于传动比的限制,发动机的转速提升速度就相对变慢了。它更像是“用当前的力气,以最直接的方式,推动车轮快一点”,而不是“先积攒一股巨大的力量,然后像弹簧一样释放出去”。

你踩油门,其实是在给发动机“下指令”:“提高转速!我要更多的动力!”

在低档位,发动机听到这个指令,会优先把它的“劲儿”转化为“推力”。
在高档位,发动机听到这个指令,它会努力提高转速,但由于传动比的限制,你能直接“看到”的转速提升,就没有低档位那样“快”了,因为它更多的是在“直接输出”你指令的“转速”而已。

网友意见

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画个简图,左边是发动机、右边是变速箱:

发动机曲轴转速上升的快慢,取决于曲轴旋转的角向加速度,而角向加速度按下式计算:

β(曲轴旋转的角加速度)= [M1(扭矩)-M2(阻力矩)]/ J(曲轴转动惯量)

其中曲轴转动惯量取决于曲轴的质量和形状,对同一根曲轴来说是定值。

扭矩越大、阻力矩越小,曲轴转速才能更快地攀升!变速箱在高档位时,假设油门深度不变、行驶阻力不变,那么行驶阻力经过变速箱后在变速箱输入端形成的阻力矩就会变大,而油门不变基本等于扭矩不变,所以角向加速度就小了。如果阻力矩足够大,角向加速度变负值,转速就会下降。再极端一点,你手动挡3挡起步,由于扭矩不足而阻力矩过大,会把发动机憋熄火。

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