汽车，如何奔跑

一升汽油完全燃烧，大约释放 32 兆焦耳的能量。发动机要做的，是在几分之一秒内，把这团高温高压的气体关进一个金属圆筒，让它只往一个方向推。

活塞在气缸中上下运动，通过连杆推动曲轴。曲轴的曲柄销偏离旋转中心，于是活塞的直线推力被转换成扭矩。但气缸不能只燃烧一次：它必须持续地吸进新空气、压缩、点火、排出废气。这四个步骤，就是四冲程循环 four-stroke cycle。

为什么是七百二十度

一个四冲程循环需要曲轴转两整圈：进气 180°、压缩 180°、做功 180°、排气 180°。这意味着在任何一个瞬间，四缸发动机里总有一个气缸处于做功冲程，但它们的做功冲程彼此错开 180°。常见的点火顺序是 1–3–4–2，让扭矩输出尽量连续。

做功冲程只占循环的四分之一，其余三个冲程都要消耗能量。飞轮因此变得重要：它在做功冲程储存动能，在压缩、进气和排气冲程再把动能释放出来，让曲轴转速不至于剧烈波动。发动机越平稳，飞轮和曲轴的整体匹配就越关键。

如果气门一直开着，发动机就无法压缩混合气；如果一直关着，它就无法呼吸。配气机构的任务，是把曲轴的旋转变成气门的开合，并且让每一次开合都发生在正确的那几度曲轴转角里。

凸轮轴上的凸轮形状决定了气门何时打开、打开多深、何时关闭。因为四冲程循环需要曲轴转两圈，凸轮轴只需要转一圈，所以曲轴与凸轮轴之间的传动比固定为 2:1。正时链、正时皮带或齿轮，就是用来维持这个关系的。

正时，差一点也不行

凸轮轴与曲轴之间没有“将就”的余地。正时链条跳一个齿，气门就会在错误的时间打开，轻则动力下降、回火，重则活塞撞上气门。正时皮带断裂时尤其危险，因为凸轮轴会立刻停转，而曲轴还可能带着活塞继续上行。

现代发动机还会让正时“可变”。进气凸轮相位器可以在一定范围内提前或延后进气门的开启时刻：低转速时减少重叠，让怠速更稳定；高转速时增加重叠，利用气流惯性多吸一点空气。这就是 VVT，可变气门正时。

发动机一直在转，车轮却不一定。起步时，发动机每分钟两千转，车轮是零。如果直接把两者连在一起，结果不是熄火，就是猛烈的冲击。离合器要在两者之间制造一段可控的滑动。

离合器的主动部分随发动机旋转，从动部分连接变速箱输入轴。压盘把摩擦片夹在飞轮上时，动力通过摩擦力传递；踩下踏板，压盘松开，两者分离。半联动状态让摩擦力逐渐建立，发动机与车轮的转速差被慢慢抹平。

齿轮不创造能量

变速箱里的齿轮只是改变转速与扭矩的比例。忽略损失时，输入功率等于输出功率：P = T × ω。转速降低多少，扭矩就放大约多少。一挡齿比大，轮上扭矩大、车速低；六挡齿比小，轮上扭矩小、车速高。

这也解释了为什么起步要用低挡，而巡航要用高挡。发动机在某个转速区间效率最高，变速箱的工作，是让发动机尽量待在那个区间，同时满足车轮对速度和力量的需求。

现代变速箱已经不只一种形态。手动变速箱（MT） 用同步器让齿轮转速先匹配再啮合；液力自动变速箱（AT） 用液力变矩器与行星齿轮组换挡；双离合变速箱（DCT） 用两套离合器预选下一挡，换挡时几乎不断开动力；无级变速箱（CVT） 则用钢带与锥轮连续改变传动比。

直线行驶时，左右车轮转速相同；一旦转弯，外侧车轮就必须比内侧转得更快。差速器把发动机传来的扭矩分给左右半轴，同时允许两根半轴以不同转速旋转。

它由一组锥齿轮组成：行星齿轮随差速器壳公转，把动力分配给两侧的半轴齿轮；当左右阻力相同时，行星齿轮不自转，两根半轴等速；当转弯或一侧打滑时，行星齿轮开始自转，吸收左右转速差。

差速器的代价

开放式差速器有一个天生的弱点：它把扭矩大致平均分配给两侧车轮，而扭矩的上限由附着力较差的那一侧决定。如果一侧车轮压在冰面上，另一侧在干燥柏油上，打滑的那一侧会空转，差速器会把大部分动力“送”给空转轮，车辆反而走不动。

限滑差速器（LSD）用摩擦片、黏性联轴器或托森齿轮限制左右转速差；更先进的扭矩矢量系统则用制动或电机单独调节每个车轮的扭矩。四驱车还需要在前后轴之间增加中央差速器，否则前后轴同样会互相较劲。

轮胎是汽车唯一与地面接触的部件。如果车轮因为路面起伏而离地，再强的发动机和制动系统都无从发力。悬架要在两个相互矛盾的目标之间工作：允许车轮吸收路面，又不让车身跟着一起颠。

弹簧负责储存和释放能量。车轮压上凸起时，弹簧被压缩，把冲击暂时存起来；越过凸起后，弹簧回弹，如果不加控制，车身会持续上下振荡。减振器的作用就是把这部分动能转化为热，让振动尽快衰减。

软与硬的取舍

弹簧越软，路面细碎振动被吸收得越多，舒适性越好；但车身侧倾、点头和俯仰也会更明显，轮胎的定位角度变化更大。弹簧越硬，车身姿态更稳定，但路面冲击会更直接地传进车厢。

减振器决定振动衰减的速度。阻尼不足，车身会像船一样上下浮动；阻尼过大，悬架来不及吸收冲击，轮胎反而容易失去接地。工程上调校的是弹簧、阻尼、衬套、防倾杆和悬架几何的组合，而不是单个零件。

驾驶者转动方向盘，实际上是在给前轮设定一个角度。转向系统要做的，是把方向盘上几十厘米的旋转，忠实地、可感知地传到前轮几度的偏转上。

齿轮齿条机构把方向盘的旋转转换成齿条的左右移动。齿条两端通过转向拉杆连接前轮的转向节，齿条一动，前轮就绕主销偏转。方向盘转多少、车轮转多少，由转向比决定；普通乘用车的转向比大约在 12:1 到 16:1 之间。

转向比与力反馈

方向盘转 360°，前轮可能只转 25°。较大的转向比让高速行驶更稳定，也让停车入库更省力；较小的转向比让转向更直接、响应更快。电动助力转向（EPS）用电机根据车速和方向盘扭矩提供助力，低速时轻，高速时重。

阿克曼几何让内外前轮的转弯中心重合，减少轮胎侧滑。但完全阿克曼会牺牲高速稳定性，现代车往往只采用部分阿克曼：低速时接近理论转角，高速时让内外轮更接近平行。

一辆 1.6 吨的汽车以 100 km/h 行驶时，动能约为 617 千焦。要让它在几十米内停下，制动系统必须在几秒内把这 617 千焦转成热。制动盘会迅速升温，这就是为什么连续重刹之后，制动力会下降。

踏板力先经过真空助力器放大，再通过制动主缸把液压油压进管路。卡钳活塞面积远大于主缸活塞，于是同样的压力产生更大的夹紧力。摩擦片夹住高速旋转的制动盘，动能变成热，车轮减速。

速度翻倍，距离四倍

制动距离与速度的平方成正比：s = v² / (2a)。同样以 0.8g 制动，50 km/h 需要约 12 米，100 km/h 需要约 49 米，150 km/h 则需要约 110 米。这里还不包括驾驶者的反应距离。

ABS 通过轮速传感器监测每个车轮的滑移率，在车轮即将抱死时快速释放和恢复制动压力。抱死的车轮会失去转向能力，而 ABS 让轮胎保持在滑动与滚动的临界附近，从而同时保留制动与转向。

轮胎不是刚性的圆环。它由橡胶、帘布层、钢丝带束层和胎体组成，在载荷下会发生复杂的变形。正是这种变形，让轮胎能够贴合路面的微小凹凸，并在分子层面与地面产生摩擦。

轮胎能提供的合力有上限，这个上限近似为一个以接触点为圆心的“摩擦圆”。加速、制动、转向都在消耗同一份抓地力：当你一边重刹一边急转，纵向力和侧向力会合成一个更大的向量，一旦超出圆周，轮胎就开始滑动。

为什么湿地更滑

干燥路面上，橡胶与路面的微观凸起互相咬合，同时橡胶变形产生的滞后损失也贡献了摩擦。水膜会隔开橡胶与路面，降低有效接触面积；当车速升高、水来不及从花纹沟槽排出时，轮胎会被水膜托起，这就是水滑。

胎压同样影响附着。胎压过低，胎面中部会离开路面，侧偏刚度下降，滚动阻力增加；胎压过高，接地面变小，胎面中央磨损加快。轮胎的抓地力并不是一个固定数字，而是随载荷、温度、磨损和路面不断变化的状态。

高速行驶时，空气阻力约与速度的平方成正比，而克服它所需的功率与速度的立方成正比。这也是为什么 120 km/h 巡航的油耗，通常明显高于 80 km/h。

发动机或电机输出的能量，最终只有一部分变成推动汽车前进的功。其余部分以热、废气、摩擦和风阻的形式散失。理解能量路径，就能理解为什么燃油车的油箱到车轮效率约为四分之一，而电动车可以接近九成。

在燃油车里，发动机、变速箱、传动轴和差速器依次传递能量；在电动车里，动力电池、逆变器、电机和减速器组成一条更短的路径。两者之上，都有一套电子控制网络：传感器测量，控制器计算，执行器动作。

看不见的控制层

发动机控制器（ECU）根据曲轴位置、进气量、氧传感器与爆震信号，实时调整喷油与点火；变速箱控制器决定换挡时机；车身控制器管理灯光、门锁与舒适功能。它们通过 CAN 总线交换数据，让机械系统像一个有反射的躯体。

电动车的整车控制器（VCU）协调电池、电机与制动系统。松开加速踏板时，电机转为发电机，把动能回收到电池；这就是能量回收。它不能回收全部能量，但能把城市工况的效率明显提高。