25
7 月
如何开“明白”手动挡
- By IanGoo
这年头，开手动挡车的人越来越少了——虽然驾校里考C1的仍然是多数，但是真到了买车的时候，但凡有一定经济基础的很少会主动去选择手动车型。
这也直接导致了手动挡驾驶技术的流失。以至于我在Bilibili上看一段视频讲怎么降档补油的时候，看到了这样有趣的评论:
这么高级的操作还是先等等吧，先学会了开手动挡再说
问题就在于，降档补油，那是实打实的基础操作。如果这都不会的话，其实并不能算会开手动挡——是滴，如果你在中国学习并考的C1驾照，驾校毕业只意味着你能把一辆手动挡的车开动起来，并不能算“会开手动挡”。
实际上，MT的驾驶，在多加练习之前，还是需要一些理论知识的。本文就来介绍一些关于MT的理论。当然，本文的立足点是司机，而不是动力总成开发工程师或者修车师傅，所以，在很多地方会很简化。
变速箱存在的必要性
先说一个问题:为什么要存在变速箱?
并不是手动挡车型有变速箱，自动挡车型就没有变速箱了——并非如此。真正没有(多级)变速箱的车有，但是还不算多，以电动车为主。汽油车依然是需要一个变速箱相伴发动机左右的。
原因很简单——发动机，实在是矫情得很。
可以看到，发动机在转速很低的时候，扭矩和功率都很操蛋。它不像电动机，随时都可以爆发出最大扭矩。更要命的是，上图还是节气门全开——也就是全油门的状态下发动机能够达成的输出，正常情况下，输出还会更低。
可以看到，这是一个峰值输出扭矩230多N·m的正常买菜发动机。在怠速的时候，这时候若是狂踩一脚油门，扭矩也只有不到180。而且，更要命的是，如果给发动机的负载太大，发动机无法带动，那么发动机的转速就会持续降低，直到不足8-900转，然后，Stall。
但凡不幸推过车的都知道，推车最费劲的就是将车子从静止推动。车子只要一动，牛顿第一定律就会来帮忙，可想而知，这样的负载加到发动机上，大概率会熄火。所以，手动挡的车起步要安稳、同时要给点油。这时候，如果有个法子能够将发动机的扭矩放大，行不行?
答案是可以的。
机械设计当中有很多传动方式。再变速箱当中，用的是非常古老的一套传动机械——齿轮。
齿轮比
上面这套齿轮副[1]当中，一个齿轮有11个齿，一个齿轮有18个齿。——当然任何一个学过机械的人都看得出来其中的问题，这里的齿轮必须是变位齿轮，否则将会产生根切。
以这样最简单的齿轮副来说，动力输出端齿轮齿数与输入端齿轮齿数的比值，就是一套齿轮副的齿轮比，简称齿比，或者叫传动比(Gear Ratio)。如果上面这套齿轮副的上面的齿轮连接的是发动机，那么这套齿轮副的齿比就是18/11。
很显然，18/11>1，这种齿比大于1的齿轮副能够起到的作用是什么?
这时候引进两个概念:
- 牛顿第三定律:作用力会伴随一个大小相等、方向相反的反作用力
- 扭矩的定义:T=F·R
齿轮的设计当中有一个非常重要的概念——节圆。节圆其实很好理解。我们可以想象一对圆轮，互相接触，其中一个转动的时候，会在两个圆轮接触的点因为摩擦力而带动另一个轮转动，这是齿轮传动最理想的状态。但是现实生活当中，摩擦力往往是不可靠的，会打滑。所以用齿来防止打滑。但是本质上来说，还是这一对圆轮互相一起摩擦。这时候，这对圆轮就等效于对应齿轮副的节圆。
在齿轮接触点的位置，两个齿轮都会受到大小相同的切向力，而这时候，下面的齿轮更大，所以扭矩就更大。这时候，这套齿轮副就相当于放大了扭矩。但是这也是有代价的——转速被降低了。
如果掉个个，让下面的齿轮充当动力输入轮，那么，齿比就会变成11/18，同样的原理，很好理解，动力经过这一套齿轮副之后，扭矩降低了，但是转速上升了。
这就是绝大多数变速箱的基本原理——不论是手动自动，平行轴还是行星齿轮结构，都是如此。CVT不太一样，但是其基本的物理原理也和牛顿第三定律以及扭矩的计算相关。这里不展开了。我们主要要说的，还是MT。MT采用的是平行轴结构，在平行轴之间，正是这样的一套套齿轮副，有几个档位，对应就有几个齿轮副，也就有几个齿比。所谓的换挡，其实就是选择哪一个齿轮副起作用、动力会流经哪一套齿轮副。
变速箱当中的细节结构，比如动力是如何切换的、什么是花键和花键轴之类，不多说。对于司机来说，一辆手动传动器的结构可以这么理解:
而这就是我们理解手动变速箱驾驶原理的基础。
数学
如果，我们不把变速箱看成一堆齿轮、轴、油路的金属大坨子，而是看成一堆数字的话，就方便理解接下来的内容了。
在整个动力总成(Powertrain)当中，涉及到这样扭矩/转速变换的，有两个零件，除了变速箱之外，还有一个主减速器(Final Drive)。和变速箱相比，主减速器的结构比较简单，一般只有一个齿比或者两个齿比。结合齿比的定义，我们不难得出结论:变速箱加上主减速器的总体的传动比，等于变速箱的传动比×主减速器的传动比。
我们这里就进一步模糊化一下，将这两个的齿比打包一起算。我们假设一辆车，传动比设定是这样:
| Gear | Ratio |
| 1 | 3 |
| 2 | 1.5 |
| 3 | 1.2 |
| 4 | 1 |
| 5 | 0.9 |
下面的讨论，都以这样一辆虚拟的车为基准来进行。
如何驾驶?
怎么才算好的驾驶
其实这并没有什么明确的标准，不过有两条是很明确的:
- 安全
- 不毁车
至于乘客感受怎么样并不那么重要。赛车手们在赛道上的驾驶技巧超越所有普通司机，但是一般人坐里面是会吐一地的。而安全和不毁车这两条，放在任何地方都适用——包括赛道。
安全这个先不提，我们就聊聊怎么换挡，才能保护好车——同时也能让车开得更顺畅。
换档逻辑
MT的精髓之一就是换挡时机的掌握靠自己，换挡动作靠自己。而在自动挡车型上，这些都被变速箱自己包办了。
但是这也会给驾驶者带来额外的挑战。我听某老司机说过各种变速箱换挡的平顺度排名:
CVT>老手开MT>AT>DCT>AMT>新手开MT
MT的换挡平顺度完全取决于驾驶者的技术水平。开过手动车的都知道，换挡平顺度的考验，是在换挡完成后抬起离合器的那一瞬间。
这到底是怎么个原理呢?
这就涉及到一个非常重要的概念——转速匹配(Rev Matching)。而它正是MT驾驶的精髓所在。
好。我们开着上面那辆车，以1档起步。转速拉到3000rpm，准备换挡。踩下离合，将换挡杆掰到2，然后抬起离合——且慢!
什么时候抬?
我们知道，1挡传动比为3，发动机转速为3000的时候，车轮转速对应下来是1000，那么到了传动比为1.5的2挡，这里经历了什么样的变化?
我们关注一个零部件——离合器。
上图就是离合器总成。
飞轮是发动机动力输出的最末端，直接连接发动机曲轴。动力在前往变速箱之前，离合器是必经之路。离合器片连接变速箱输入轴，当离合器踏板抬起的时候，压盘的弹簧会将离合器片紧紧压在飞轮上，通过静摩擦力传递动力。而离合器踏板踩下去的时候，压盘会松开，释放离合器片，动力传输也就随之断开。
所以转速匹配的精髓就在于匹配离合器片与飞轮之间的转速。
我们在1进2的时候，车轮的速度在换挡这么短的时间内可以认为是转速不变的，都是1000rpm，但是由于变速箱×主减速器的传动比从3变成了1.5，这时候，换算一下就知道离合器片的转速会从3000变成大约1500rpm。
这又是怎么做到的?
答案是在变速箱内部有一个优秀的同志——同步器，毫不利己专门利人，牺牲自己转换转速，让变速箱的输入轴转速变为1500rpm。
讲究的时刻来了，我们应该在什么时机抬起离合?
答案显然——发动机转速掉落到1500rpm的时候，这时候飞轮转速与离合器片转速完全一致，松开离合器踏板的时候一定是丝般顺滑，感觉不到一丝一毫的顿挫——当然这是理想情况。现实生活中没有谁踩点能踩得这么准的。幸亏，工程师们在街道离合器上设计了缓冲弹簧，可以有效缓解转去不匹配带来的冲击。不过赛用离合器是没有的。这也是赛车很颠簸的一个原因。
从2进3也是一样的原理。这是升档的匹配选择。很简单，只要等一段时间让转速掉下来就行了。
这里又有讲究了——等多久？
这里涉及到转速掉落速度，以及传动比的密度。很容易理解，从一个档位跳到另一个档位的时候，传动比变化越小，换挡空挡的那一瞬间离合器片的转速变化就越小。发动机转速掉落的距离就越短。另一个层面上说，发动机转速掉落速度也有区别，采用轻量化零件——包括飞轮、活塞、曲轴等等——的高性能发动机，转速掉落速度就会明显更快。这样带来的好处是显而易见的，就是可以缩短换挡间隔。而换挡的时候，车轮上是没有动力的，这时候，缩短换挡时间就功德无量了。
然而另一方面，这样的快速换挡也会让驾驶者更加紧绷，容易疲劳。如何在这方面取得平衡，很有讲究。
再说降档
升档比较简单，离合器片的转速是降低的，让发动机转速同步降下来就行。
降档就麻烦了，很明显，离合器片的转速是会上升的。这时候，就有几种不同的处理方式。佛系司机的做法是踩着离合很长时间，让车速降下来。这时候发动机转速早就掉到了怠速，看着差不多到了低一级档位的怠速速度，抬离合，然后再让发动机从怠速吭哧吭哧往上爬。
发动机君你也太辛苦了……看看上面的发动机动力输出曲线，就能看得出来这时候发动机的扭矩严重不足，想要提速是很费劲的。
任何时候，请都将发动机的转速维持在一个合理的区间内。这个“合理”，看自己的需求和口味，以及发动机的特性。涡轮增压汽油机动力输出曲线广阔平坦，自由度可以高一些，转速低一点也没事；自然吸气短行程发动机低转扭矩严重不足，不舍得拉转速那真的很废柴；柴油机高转速够不着，低转速的扭矩却威风八面。这里还要考虑噪音。再硬核的驾驶者也不愿意拉着5000多rpm跑高速巡航的对吧。
所以，采用补油降挡的方式来快速降档是一个很好的习惯。
做法很简单，就是在降一档，抬起离合器之前，点一脚油门就行，就这么简单。
比如还是上面这辆车，正在以1800RPM的转速跑高速，结果出现了一辆卡车，现在需要迅速超车——呆在大车旁边时间太长可是非常危险的。那么怎么操作?
不难得出结论，5挡传动比0.9，发动机转速1800rpm，那么对应的车轮转速就是2000RPM，这时候降到4挡，传动比变成1，离合器片在同步器君的努力下，转速从1800rpm跳到了2000rpm，这时候怎么办?点一脚油门，让发动机转速也达到2000rpm再松开离合器即可。
这就是降档补油的基本原理。可以看到，这操作比升档要略微复杂一些，而且点油门点的恰到好处，那是不容易的。多加练习即可，带来的收益是很可观的。
上面B站那个评论，是将这样略微复杂但是人类都能掌握的技巧和另一种高级驾驶技巧弄混了。这个技巧就是——跟趾。
Don’t Try This At Home
跟趾
我们将继续深入介绍一些听起来很“高端”的驾驶技巧。但是万变不离其宗，手动档驾驶技巧最核心的永远都是这个——转速匹配。
上面提到了需要降一档以获得更强加速性能的情况，但是在生活中，更常见的降档需求发生在减速的时候。这时候，如果能够预判接下来马上就要停车(比如前面就是红灯)，那好办，直接挂空挡刹车就行，或者接下来需要进入低速行驶(比如前面就在堵)，挂入低档位然后在怠速附近来来去去就行。这些都不算复杂。
如果是——比如我要过一个弯道，需要减速，这时候并没有其他的车，怎么办呢?
正常的做法是降档的时候把右脚从刹车踏板上挪开，点一脚油门完成降档后继续减速。在大街上这么开很正常——当然注意，如果看到前面出现障碍，就不要那么教条地松开刹车去补邮，这时候应当继续踩刹车同时左脚踩离合。
不过这么开，相当于将原本应当用于制动的时间给浪费掉了。无疑会增加弯道前的减速时间，这对于赛道成绩极为不利。怎么办?
反正我的鞋有43码，脚尖点着刹车的时候脚后跟往旁边一挪就能够得着油门。
这就是跟趾。
所以，跟趾是一种赛车场上使用的技巧，目的是在争分夺秒的赛场上获得时间优势。在开车相对非常休闲的日常生活中，并没有必要使用跟趾。而且如果跟趾的功力不够强，还容易导致换挡失误或者严重顿挫——当然你要是跟趾技巧堪比土屋老贼那就当我啥都没说。
两脚离合
从这时候开始，我们需要进入那一团云朵的内部了——变速箱本身。
前面不止一次提到过牺牲自我顾全大局的同步器同志。
同步器，正是实现换挡后离合器片转速变化的关键零部件。但是蛋疼的是，同步器是会随着使用而磨损的。而且同步器也并非什么历史悠久的东西。在同步器不灵光或者干脆没有同步器的老车上开车，应该怎么办?
答案：两脚离合。在有同步器的新车上这么开，也能起到保护同步器的作用——虽然其实毫无必要。
同步器的作用，就是在踩住离合换挡的时候，让变速箱输入轴的转速与另一组传动比不同的齿轮组相匹配，如果没有同步器，显然这就不行了。那么就需要想别的办法让输入轴的转速与下一组传动比相匹配。用什么呢?
答案：发动机。
我们来看一下同样的3000转1进2，没有同步器的时候该怎么办。
3000转的时候，车轮转速1000rpm，此时，踩住离合，从1摘到N，这时候，离合器片仍然在惯性作用下以3000rpm的转速转动，如果像没有同步器的时候那样从1直接进到2，那么输入轴需要的转速为1500rpm——问题在于，没有同步器的时候，直接进是进不去的。2档齿轮与轴之间的转速不匹配。
和很多人想象的不一样，平行轴变速箱当中的各个档位的齿轮组是常啮合的，所谓的换挡并不是在哪组齿轮啮合哪组齿轮断开之间切换，而是切换的是齿轮与轴之间的开闭状态。所以在1档的时候，1档齿轮在以3000rpm转动的时候，输入轴与1档齿轮同步以3000rpm转动，而此时2档输入齿轮的转速只有1500rpm。没有同步器，硬切是切不进去的，大力出奇迹的话容易导致花键过早磨损甚至直接损坏。
这时候，就需要想个办法，让输入轴的转速降低到1500rpm与2档齿轮保持一致。方法就是在摘到空挡的时候，抬起离合器，让发动机带着输入轴转速降低到1500rpm的时候，踩下离合，这时候就可以切进2档，再抬离合继续开。
很麻烦。两脚离合降档更麻烦，得在摘空挡的瞬间踩油门将转速拉到合适的位置再降档。
所以，感激一下同步器的发明吧。虽然MT很有“乐趣”，但是没有同步器的车真的是徒增麻烦，却也没有带来更直接的控制感。
总结
以上，就是MT驾驶的基本理论框架。学过物理和机械的话，理解起来非常容易。
但是开手动档终究还是个熟练活。多少开出租车的并没有机械工程学位一样开得很溜。但是区别在于，光靠口传心授只能知其然，而掌握其中原理，可以知其所以然，知其所以然就能够鉴别一些不靠谱的“传言”，当年爱卡福克斯ST论坛上就有过两脚离合和跟趾到底是怎么回事的争论。某位仁兄非得说跟趾的时候补油要在空挡抬离合的时候进行，如果明白MT变速箱的工作原理，就会明白这种说法其实是将跟趾和两脚离合降档给搞混了，并且同步器君很生气——无视我的存在!
开车讲究肌肉记忆，不过必要的时候，也需要走脑子。就是这样。
Reference
- 两个或者多个齿轮构成的机构称为齿轮副。[↩]