理解“變速”，進(jìn)而理解手動擋汽車的原理
## 文中的內(nèi)容都是我通過提到的視頻和參考文獻(xiàn)總結(jié)提煉出的，本人只是匯總梳理，并非原創(chuàng)。
本文大綱
什么是扭矩
自行車的變速原理
手動擋汽車
一、首先要搞清楚什么是扭矩？
最常見的力是直線型的，如果規(guī)定了向右為正方向，那么向右10N的力就被記作“+10N”，向左10N的力就被記作“-10N”。
但是當(dāng)力變成旋轉(zhuǎn)的，情況會和之前一樣嗎？
憑借我們的生活常識，當(dāng)用一個10米的扳手和一個1米的扳手去擰同一個螺絲，哪一個更容易擰松螺絲呢？
當(dāng)然是用10米的扳手更容易，所謂“更容易”是指使用者用的“力”更少一些。
這里我們使用的“力”是垂直于扳手的，是我們熟悉的直線型。但是真正使扳手轉(zhuǎn)動的是“旋轉(zhuǎn)力”。如下圖所示：
因?yàn)楦軛U效應(yīng)：
越是離軸心近（半徑?。?，表現(xiàn)出的力越大——短扳手費(fèi)力
離軸心越遠(yuǎn)（半徑大），表現(xiàn)出的力越小——長扳手省力
假如長短兩種扳手都是恰好扭動螺絲的狀態(tài)，那么這個旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)力在兩種情況下是相同的。（只要力和力臂的乘積相同，二者的效果是相等的。）
兩種情況下旋轉(zhuǎn)力是相同的，但是使用的力卻是不一樣的。
這就很奇妙了，明明我用短扳手費(fèi)了很大勁（肯定是比長扳手費(fèi)勁），你現(xiàn)在告訴我說實(shí)際效果和人家長扳手相同？？
所以這個就是旋轉(zhuǎn)力和直線型力的區(qū)別所在。如果這個時候我說旋轉(zhuǎn)的力是10牛，你怎么知道是在距離軸心10m處的旋轉(zhuǎn)力算10牛，還是距離軸心1m處的旋轉(zhuǎn)力算10牛?？梢娦D(zhuǎn)力不能忽略力臂的存在，所以用直線型力的單位（牛）去衡量旋轉(zhuǎn)力是不可行的，科學(xué)家就定義力與力臂的乘積作為旋轉(zhuǎn)力的度量衡。
扭矩的單位是牛·米，“?· ”是相乘的含義。在離旋轉(zhuǎn)物體軸心1米半徑處，施以1牛頓大小的力，作用于這個物體的旋轉(zhuǎn)力即為1?！っ?。
這樣我們就得到了量化旋轉(zhuǎn)力的單位。
在之前的案例里我假設(shè)兩種情況都是恰好擰動螺絲，假如恰好擰動螺絲需要旋轉(zhuǎn)力為10N·m。
那么使用10m的長扳手就只用1N的力，而使用1m的短扳手需要10N的力。
所以一說到“扭矩”這個詞，就可以在腦海中想象它在描述一個“旋轉(zhuǎn)力”的大小。
二、自行車的變速原理
在真正進(jìn)入自行車之前，先要理清楚下面這件事。
對于扳手?jǐn)Q掉一個螺絲來說，長的扳手雖然省力，但是它轉(zhuǎn)的慢。短的扳手雖然費(fèi)力，但是它轉(zhuǎn)得快。
在之前的例子中我們是假設(shè)兩種情況下旋轉(zhuǎn)力相同，現(xiàn)在我們假設(shè)兩種情況下力相同（注意不是旋轉(zhuǎn)力，是力），都用10N的力去擰動螺絲。
使用10m的扳手，產(chǎn)生的扭矩是100 N·m。
使用1m的扳手，產(chǎn)生的扭矩是10 N·m。
可見，在力相同的情況下，長扳手的扭矩是短扳手的10倍。
結(jié)合剛才的長扳手轉(zhuǎn)的慢，短扳手轉(zhuǎn)的快，
可以總結(jié)如下：
高扭矩 對應(yīng) 低轉(zhuǎn)速；低扭矩 對應(yīng) 高轉(zhuǎn)速。
接下來進(jìn)入自行車的變速系統(tǒng)，分為三部分（看一下就行）：
1.牙盤和前撥鏈器
2.飛盤和后撥鏈器
3.變速手柄
生活中的場景：騎行者踩踏自行車的踏板，帶動牙盤（腳附近的輪盤）上的齒片轉(zhuǎn)動，牙盤的齒片通過鏈條帶動飛盤（后輪附近的輪盤）上的齒片，進(jìn)而帶動后輪轉(zhuǎn)動。
（大致看一眼）
牙盤輪盤分為大盤 和 小盤（標(biāo)準(zhǔn)盤是指最常用的一種型號）
飛盤通常有9～12個齒片，齒數(shù)從11齒～32齒，飛盤的齒片數(shù)量決定了自行車的速別。
變速的實(shí)現(xiàn)依靠的就是齒輪比。
齒輪比 = 鏈條所在牙盤的齒數(shù) / 飛輪片齒數(shù)?
齒輪比決定了騎行者每踩踏一圈的同時后輪會轉(zhuǎn)幾圈。
舉個例子：
牙盤的大輪盤齒數(shù)為52，飛盤的齒數(shù)為12，52 / 12 = 4.3。就是在說騎行者踩踏一圈后輪轉(zhuǎn)4.3圈。這就是常見的最大擋位。
最小檔位，通過變速手柄切換為牙盤的小輪盤齒數(shù)36，飛盤的齒數(shù)為28，36?/ 28?= 1.2，騎行者踩踏一圈后輪轉(zhuǎn)1.2圈。小檔位給予了最小前進(jìn)距離，在爬坡時很理想，可以讓我們保持高踏頻。
常見的兩種應(yīng)用場景：
公路自行車前大盤后小盤，適用于全力沖刺。
山地自行車前小盤后大盤，適用于爬坡。
對于變速自行車，騎車起步的時候，小齒輪帶動大齒輪，齒輪比低對應(yīng)后輪轉(zhuǎn)的圈數(shù)少（高扭矩、低速檔）
等到速度起來了以后，大齒輪帶動小齒輪，齒輪比高對應(yīng)后輪轉(zhuǎn)的圈數(shù)多（低扭矩、高速檔），這就是自行車變速的過程。
注意，這里就是第二部分一開始總結(jié)的內(nèi)容。
三、手動擋汽車的原理
自行車的換檔同樣也是汽車的換檔。
首先了解一下汽車傳遞動力的整個過程。
發(fā)動機(jī)通過離合器將發(fā)動機(jī)的動力傳遞給變速箱，經(jīng)過變速箱會將不同的扭矩或者轉(zhuǎn)速輸出給車軸，車軸又將動力傳遞給差速器。差速器將動力分配給驅(qū)動輪使其轉(zhuǎn)動，從而帶動整個車輛。（可見這是后驅(qū)車）
這里有幾個點(diǎn)需要重點(diǎn)了解一下：
離合器：離合器就是圖中橙色的那一個圓片，離合器受到離合器踏板的控制。踩下離合器踏板會讓離合器和發(fā)動機(jī)的曲軸分離開，松開踏板離合器就會重新卡在曲軸上。關(guān)于離合器的作用在之后會得到理解。
什么是曲軸，如果不想深入了解，只需要知道“發(fā)動機(jī)內(nèi)部創(chuàng)造的動力使得曲軸轉(zhuǎn)動”。曲軸和離合器卡在一起，踩下離合器踏板會讓離合器和曲軸分開，從而切開發(fā)動機(jī)的動力，讓動力無法向后傳遞。
怎么理解“變速箱會將不同的扭矩或者轉(zhuǎn)速輸出給車軸”這句話。
這句話如果現(xiàn)在不理解，請閱讀下面的內(nèi)容，了解完變速箱的結(jié)構(gòu)之后再回過頭來看。
變速箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由三部分組成
輸入軸，中軸，輸出軸上都有各自的齒輪。
輸入軸的左端連接著離合器，輸入軸的右端是一個齒輪。
輸入軸右端的齒輪和中軸最左側(cè)的齒輪嚙合，離合器和發(fā)動機(jī)連接（這個時候離合器踏板就是沒有被踩下去）的時候會帶動輸入軸轉(zhuǎn)動，輸入軸通過齒輪之間的嚙合帶動中軸轉(zhuǎn)動。
相比上一張圖里多出來的部分就是輸出軸部分，輸出軸和輸入軸之間是斷開的，他們之間是通過中軸來傳遞動力。
中軸的其他齒輪與輸出軸上的齒輪一一嚙合，第一、二、三、四、五分別就是中軸和輸出軸上的齒輪的齒輪比創(chuàng)造出來的一二三四五檔。
這里就是第一個重點(diǎn)。中軸上的齒輪和輸出軸上的齒輪每一對嚙合的時候都產(chǎn)生齒輪比，就創(chuàng)造了和變速自行車一樣的各個檔位。五檔是高速檔，所以五檔這一對齒輪中，中軸上的齒輪肯定是大齒輪，輸出軸上的齒輪是小齒輪，從而構(gòu)建出大齒輪帶動小齒輪，并且這個齒輪比是所有檔位里最大的。（注意，齒輪比是主動輪/被動輪，所以說五檔齒輪比是最大的）在圖片中也確實(shí)是這么回事。
那么低速檔一檔，自然是中軸上為最小的齒輪，帶動輸出軸上最大的齒輪。（齒輪比最?。?/p>
這就是變速箱?。。。。。?/p>
至于傳遞扭矩和轉(zhuǎn)速的計(jì)算方式。
這個是傳動齒輪（藍(lán)色）與被動齒輪（紅色）。
齒輪比是傳動齒輪數(shù)/被動齒輪數(shù)? ：2/1 = 2。（齒輪比）
輸出速度 = 輸入速度 *?齒輪比。
輸出扭矩?= 輸入扭矩 / 齒輪比。
如果傳動齒輪（藍(lán)色）的轉(zhuǎn)動速度是100 RPM（轉(zhuǎn)每分鐘），那么被動齒輪（紅色）的轉(zhuǎn)動速度是100 * 2 = 200 RPM（轉(zhuǎn)每分鐘）。
如果傳動齒輪（藍(lán)色）的扭矩是20牛米，那么被動齒輪（紅色）的扭矩就是20 / 2 = 10 牛米。
這里就可以理解之前的那段話了，“變速箱會將不同的扭矩或者轉(zhuǎn)速輸出給車軸”。
然后再來理解第二個重點(diǎn)：輸出軸上的齒輪由于和中軸上的齒輪嚙合所以一直在轉(zhuǎn)動，全部都
在轉(zhuǎn)動。但是輸出軸上的齒輪和輸出軸是分離開的，使得輸出軸是不旋轉(zhuǎn)的。
輸出軸是圖中和黃色的裝置，也就是同步器，輸出軸和同步器是相連接的，同步器是和汽車?yán)飹鞕n的東西相連的。
當(dāng)你掛了一檔的時候，同步器就會去卡到一檔齒輪上，一檔這個位置上輸出軸的齒輪就會帶動同步器和輸出軸開始轉(zhuǎn)動，去傳遞一檔的轉(zhuǎn)速和扭矩給輸出軸，從而完全實(shí)現(xiàn)了掛一檔這個操作。
現(xiàn)在開始描述一下整個的掛檔過程。
一開始發(fā)動機(jī)運(yùn)行，此時離合器踏板沒有踩下去，所以離合器和發(fā)動機(jī)上的曲軸貼合在一起。由于貼合，發(fā)動機(jī)的動力會傳遞給輸入軸，輸入軸的動力通過齒輪嚙合的關(guān)系（中軸最左側(cè)那個）傳遞給中軸。中軸開始旋轉(zhuǎn)，中軸上的各個擋位的齒輪帶動相對應(yīng)的輸出軸的各個齒輪轉(zhuǎn)動，但由于分離關(guān)系所以輸出軸并不會轉(zhuǎn)動，也就是說此時動力是傳遞不到輸出軸，進(jìn)而也傳遞不到后輪胎的。
開始掛檔，先踩下離合器踏板。此時離合器和發(fā)動機(jī)曲軸相分離，切斷了發(fā)動機(jī)的動力傳輸。輸入軸、中軸由于失去了動力源，開始由于慣性而轉(zhuǎn)動（肯定是越來越慢），這個時候掛檔，掛檔的檔位桿推動同步器（輸出軸上黃色部分）去貼合對應(yīng)輸出軸上對應(yīng)檔位部分的齒輪。同步器貼合成功之后，松開離合器踏板，離合器重新貼合在發(fā)動機(jī)的曲軸上，也就恢復(fù)了動力源。這個時候輸入軸帶動中軸，中軸帶動輸出軸上的齒輪，輸出軸上的齒輪通過同步器帶動輸出軸轉(zhuǎn)動。并且是一檔的比例來傳遞轉(zhuǎn)速與扭矩。
整個過程第一次通過想象會比較困難，建議通過文章最下方的兩個視頻來理解跟容易一些。
變檔的具體操作過程在06:38開始
這里需要說明的是：
齒輪比是傳動輪齒數(shù)?/?被動輪齒數(shù)
視頻中提到的傳動比則是反過來的，這里之所以用齒輪比是為了和自行車?yán)锏闹笜?biāo)保持一致。
第二個視頻是一個手工大佬制作的變速箱
這個時候再理解一下考駕照的時候教練說的話：
起步：左腳踏下離合器，右腳踩剎車，掛一檔，松手剎，然后左腳慢抬離合，待車子有點(diǎn)抖動時，右腳移到油門踏板輕給點(diǎn)油，離合繼續(xù)放開，汽車平穩(wěn)起步，左腳離合完全放開，加油準(zhǔn)備掛擋。
為啥起步時候要慢抬離合器踏板，首先要明白動力要從轉(zhuǎn)著的發(fā)動機(jī)傳到不動的變速箱里，才能帶動車走。在發(fā)動機(jī)扭矩不大的時候，如果快速的抬起離合器踏板，發(fā)動機(jī)的扭矩不足以帶動車輪轉(zhuǎn)動，在這一瞬間一個強(qiáng)大的阻力會使得發(fā)動機(jī)熄火。慢抬離合器踏板的作用就是在離合器和發(fā)動機(jī)曲軸貼合的這個過程中去慢慢的帶動傳動齒輪，是一個從無到有的平滑的過渡過程。
換擋：減擋時，因?yàn)樗俣纫蛽跷黄ヅ洌韵炔葎x車減速，然后再踩離合換擋，這種原則也適用于加擋，先踩油門提速，然后才離合換擋。
參考資料
1.【自行車變速系統(tǒng)到底是怎么工作的？】 https://www.bilibili.com/video/BV1sb411e7N7/?share_source=copy_web&;vd_source=dac740fbd6b71b9a530fc11ded533e85
2.https://www.zhihu.com/question/27154686
3.https://www.cdstm.cn/frontier/kpx/202006/t20200622_1029522.html
