理解“变速”，进而理解手动挡汽车的原理
## 文中的内容都是我通过提到的视频和参考文献总结提炼出的，本人只是汇总梳理，并非原创。
本文大纲
什么是扭矩
自行车的变速原理
手动挡汽车
一、首先要搞清楚什么是扭矩？
最常见的力是直线型的，如果规定了向右为正方向，那么向右10N的力就被记作“+10N”，向左10N的力就被记作“-10N”。
但是当力变成旋转的，情况会和之前一样吗？
凭借我们的生活常识，当用一个10米的扳手和一个1米的扳手去拧同一个螺丝，哪一个更容易拧松螺丝呢？
当然是用10米的扳手更容易，所谓“更容易”是指使用者用的“力”更少一些。
这里我们使用的“力”是垂直于扳手的，是我们熟悉的直线型。但是真正使扳手转动的是“旋转力”。如下图所示：
因为杠杆效应：
越是离轴心近（半径小），表现出的力越大——短扳手费力
离轴心越远（半径大），表现出的力越小——长扳手省力
假如长短两种扳手都是恰好扭动螺丝的状态，那么这个旋转物体的旋转力在两种情况下是相同的。（只要力和力臂的乘积相同，二者的效果是相等的。）
两种情况下旋转力是相同的，但是使用的力却是不一样的。
这就很奇妙了，明明我用短扳手费了很大劲（肯定是比长扳手费劲），你现在告诉我说实际效果和人家长扳手相同？？
所以这个就是旋转力和直线型力的区别所在。如果这个时候我说旋转的力是10牛，你怎么知道是在距离轴心10m处的旋转力算10牛，还是距离轴心1m处的旋转力算10牛。可见旋转力不能忽略力臂的存在，所以用直线型力的单位（牛）去衡量旋转力是不可行的，科学家就定义力与力臂的乘积作为旋转力的度量衡。
扭矩的单位是牛·米，“ · ”是相乘的含义。在离旋转物体轴心1米半径处，施以1牛顿大小的力，作用于这个物体的旋转力即为1牛·米。
这样我们就得到了量化旋转力的单位。
在之前的案例里我假设两种情况都是恰好拧动螺丝，假如恰好拧动螺丝需要旋转力为10N·m。
那么使用10m的长扳手就只用1N的力，而使用1m的短扳手需要10N的力。
所以一说到“扭矩”这个词，就可以在脑海中想象它在描述一个“旋转力”的大小。
二、自行车的变速原理
在真正进入自行车之前，先要理清楚下面这件事。
对于扳手拧掉一个螺丝来说，长的扳手虽然省力，但是它转的慢。短的扳手虽然费力，但是它转得快。
在之前的例子中我们是假设两种情况下旋转力相同，现在我们假设两种情况下力相同（注意不是旋转力，是力），都用10N的力去拧动螺丝。
使用10m的扳手，产生的扭矩是100 N·m。
使用1m的扳手，产生的扭矩是10 N·m。
可见，在力相同的情况下，长扳手的扭矩是短扳手的10倍。
结合刚才的长扳手转的慢，短扳手转的快，
可以总结如下：
高扭矩 对应 低转速；低扭矩 对应 高转速。
接下来进入自行车的变速系统，分为三部分（看一下就行）：
1.牙盘和前拨链器
2.飞盘和后拨链器
3.变速手柄
生活中的场景：骑行者踩踏自行车的踏板，带动牙盘（脚附近的轮盘）上的齿片转动，牙盘的齿片通过链条带动飞盘（后轮附近的轮盘）上的齿片，进而带动后轮转动。
（大致看一眼）
牙盘轮盘分为大盘 和 小盘（标准盘是指最常用的一种型号）
飞盘通常有9～12个齿片，齿数从11齿～32齿，飞盘的齿片数量决定了自行车的速别。
变速的实现依靠的就是齿轮比。
齿轮比 = 链条所在牙盘的齿数 / 飞轮片齿数
齿轮比决定了骑行者每踩踏一圈的同时后轮会转几圈。
举个例子：
牙盘的大轮盘齿数为52，飞盘的齿数为12，52 / 12 = 4.3。就是在说骑行者踩踏一圈后轮转4.3圈。这就是常见的最大挡位。
最小档位，通过变速手柄切换为牙盘的小轮盘齿数36，飞盘的齿数为28，36 / 28 = 1.2，骑行者踩踏一圈后轮转1.2圈。小档位给予了最小前进距离，在爬坡时很理想，可以让我们保持高踏频。
常见的两种应用场景：
公路自行车前大盘后小盘，适用于全力冲刺。
山地自行车前小盘后大盘，适用于爬坡。
对于变速自行车，骑车起步的时候，小齿轮带动大齿轮，齿轮比低对应后轮转的圈数少（高扭矩、低速档）
等到速度起来了以后，大齿轮带动小齿轮，齿轮比高对应后轮转的圈数多（低扭矩、高速档），这就是自行车变速的过程。
注意，这里就是第二部分一开始总结的内容。
三、手动挡汽车的原理
自行车的换档同样也是汽车的换档。
首先了解一下汽车传递动力的整个过程。
发动机通过离合器将发动机的动力传递给变速箱，经过变速箱会将不同的扭矩或者转速输出给车轴，车轴又将动力传递给差速器。差速器将动力分配给驱动轮使其转动，从而带动整个车辆。（可见这是后驱车）
这里有几个点需要重点了解一下：
离合器：离合器就是图中橙色的那一个圆片，离合器受到离合器踏板的控制。踩下离合器踏板会让离合器和发动机的曲轴分离开，松开踏板离合器就会重新卡在曲轴上。关于离合器的作用在之后会得到理解。
什么是曲轴，如果不想深入了解，只需要知道“发动机内部创造的动力使得曲轴转动”。曲轴和离合器卡在一起，踩下离合器踏板会让离合器和曲轴分开，从而切开发动机的动力，让动力无法向后传递。
怎么理解“变速箱会将不同的扭矩或者转速输出给车轴”这句话。
这句话如果现在不理解，请阅读下面的内容，了解完变速箱的结构之后再回过头来看。
变速箱的内部结构是由三部分组成
输入轴，中轴，输出轴上都有各自的齿轮。
输入轴的左端连接着离合器，输入轴的右端是一个齿轮。
输入轴右端的齿轮和中轴最左侧的齿轮啮合，离合器和发动机连接（这个时候离合器踏板就是没有被踩下去）的时候会带动输入轴转动，输入轴通过齿轮之间的啮合带动中轴转动。
相比上一张图里多出来的部分就是输出轴部分，输出轴和输入轴之间是断开的，他们之间是通过中轴来传递动力。
中轴的其他齿轮与输出轴上的齿轮一一啮合，第一、二、三、四、五分别就是中轴和输出轴上的齿轮的齿轮比创造出来的一二三四五档。
这里就是第一个重点。中轴上的齿轮和输出轴上的齿轮每一对啮合的时候都产生齿轮比，就创造了和变速自行车一样的各个档位。五档是高速档，所以五档这一对齿轮中，中轴上的齿轮肯定是大齿轮，输出轴上的齿轮是小齿轮，从而构建出大齿轮带动小齿轮，并且这个齿轮比是所有档位里最大的。（注意，齿轮比是主动轮/被动轮，所以说五档齿轮比是最大的）在图片中也确实是这么回事。
那么低速档一档，自然是中轴上为最小的齿轮，带动输出轴上最大的齿轮。（齿轮比最小）
这就是变速箱！！！！！！
至于传递扭矩和转速的计算方式。
这个是传动齿轮（蓝色）与被动齿轮（红色）。
齿轮比是传动齿轮数/被动齿轮数 ：2/1 = 2。（齿轮比）
输出速度 = 输入速度 * 齿轮比。
输出扭矩 = 输入扭矩 / 齿轮比。
如果传动齿轮（蓝色）的转动速度是100 RPM（转每分钟），那么被动齿轮（红色）的转动速度是100 * 2 = 200 RPM（转每分钟）。
如果传动齿轮（蓝色）的扭矩是20牛米，那么被动齿轮（红色）的扭矩就是20 / 2 = 10 牛米。
这里就可以理解之前的那段话了，“变速箱会将不同的扭矩或者转速输出给车轴”。
然后再来理解第二个重点：输出轴上的齿轮由于和中轴上的齿轮啮合所以一直在转动，全部都
在转动。但是输出轴上的齿轮和输出轴是分离开的，使得输出轴是不旋转的。
输出轴是图中和黄色的装置，也就是同步器，输出轴和同步器是相连接的，同步器是和汽车里挂档的东西相连的。
当你挂了一档的时候，同步器就会去卡到一档齿轮上，一档这个位置上输出轴的齿轮就会带动同步器和输出轴开始转动，去传递一档的转速和扭矩给输出轴，从而完全实现了挂一档这个操作。
现在开始描述一下整个的挂档过程。
一开始发动机运行，此时离合器踏板没有踩下去，所以离合器和发动机上的曲轴贴合在一起。由于贴合，发动机的动力会传递给输入轴，输入轴的动力通过齿轮啮合的关系（中轴最左侧那个）传递给中轴。中轴开始旋转，中轴上的各个挡位的齿轮带动相对应的输出轴的各个齿轮转动，但由于分离关系所以输出轴并不会转动，也就是说此时动力是传递不到输出轴，进而也传递不到后轮胎的。
开始挂档，先踩下离合器踏板。此时离合器和发动机曲轴相分离，切断了发动机的动力传输。输入轴、中轴由于失去了动力源，开始由于惯性而转动（肯定是越来越慢），这个时候挂档，挂档的档位杆推动同步器（输出轴上黄色部分）去贴合对应输出轴上对应档位部分的齿轮。同步器贴合成功之后，松开离合器踏板，离合器重新贴合在发动机的曲轴上，也就恢复了动力源。这个时候输入轴带动中轴，中轴带动输出轴上的齿轮，输出轴上的齿轮通过同步器带动输出轴转动。并且是一档的比例来传递转速与扭矩。
整个过程第一次通过想象会比较困难，建议通过文章最下方的两个视频来理解跟容易一些。
变档的具体操作过程在06:38开始
这里需要说明的是：
齿轮比是传动轮齿数 / 被动轮齿数
视频中提到的传动比则是反过来的，这里之所以用齿轮比是为了和自行车里的指标保持一致。
第二个视频是一个手工大佬制作的变速箱
这个时候再理解一下考驾照的时候教练说的话：
起步：左脚踏下离合器，右脚踩刹车，挂一档，松手刹，然后左脚慢抬离合，待车子有点抖动时，右脚移到油门踏板轻给点油，离合继续放开，汽车平稳起步，左脚离合完全放开，加油准备挂挡。
为啥起步时候要慢抬离合器踏板，首先要明白动力要从转着的发动机传到不动的变速箱里，才能带动车走。在发动机扭矩不大的时候，如果快速的抬起离合器踏板，发动机的扭矩不足以带动车轮转动，在这一瞬间一个强大的阻力会使得发动机熄火。慢抬离合器踏板的作用就是在离合器和发动机曲轴贴合的这个过程中去慢慢的带动传动齿轮，是一个从无到有的平滑的过渡过程。
换挡：减挡时，因为速度要和挡位匹配，所以先踩刹车减速，然后再踩离合换挡，这种原则也适用于加挡，先踩油门提速，然后才离合换挡。
参考资料
1.【自行车变速系统到底是怎么工作的？】 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
