车速之诉

文 宋喜秀

登峰造极的技术，限速上路的制度，调速变速的商机，最佳车速的艺术——车速之诉，值得关注。

汽车动力由发动机经离合器、变速器(传动比为i0)和分动器传递到前、后桥的主减速器(传动比为i1)，再传递到轮边减速器(传动比为i2)及车轮，来驱动汽车。所以，汽车行驶速度(简称：车速)v/(km/h)，由车轮的滚动半径r(m)、发动机转速n(r/min)及传动系统的总传动比i来确定：

v=0.377n·r/i，其中i=i0·i1·i2

人们对车速的诉求显而易见：既经济节能、低碳环保，又持续稳定、安全高效，并为此研制了限速、调速、差速、减速、变速等技术措施和装备。

汽车采用转速传感器，来采集飞轮、车轮的转速，测算发动机转速及瞬时车驶，并显示在仪表盘上。发动机的工作特性决定了其最佳运行状态和最佳工作范围，即最佳转速区间，也被称作健康转速区间。与之对应的是最佳车速区间。最佳区间范围取决于汽车自身构造，路况、负载等条件。

1 限速之诉

车速最慢为0，即静止。最快车速由超音速推进号“推进SSC(Super Sonic Car，超音速车，缩写SSC)”于1997年10月15日在美国西部内华达州(Nevada)的黑岩沙漠上创造，平均车速1227.73 km/h。该车由英国人安迪·格林(Andy Green)设计制造，装备有2台通用电器为洛克希德马丁(Lockheed Martin)公司F-104战斗机配套的涡轮喷射发动机，

汽车在紧急制动时，由于有运动惯性仍需滑行一段距离后才能静止。从能量守恒定律可知，路面摩擦力对汽车做的功等于汽车动能的变化量：

式中，N为汽车对地面的压力，即汽车重力N=F=mg。μ为汽车与地面的摩擦系数，s为制动距离，m为汽车总质量，v为制动时车速。故综合而得：

由此可知，制动距离与制动时的速度平方成正比，即车速大一倍，制动远4倍。

限制车速有多种情况，如等级公路，特别是高速公路，既限车速又限车距；城市道路，既限车速也限时段，如北京、南京、武汉、贵阳等城市限制渣土车仅夜间通行，且限速在30 km/h以内；还有新车磨合限速、弯道坡道岔道限速等。

1.1 公路车速有极限

为保证高速公路的畅通和行车安全，我国《高速公路交通管理办法》规定车辆的行驶速度(见表1)。

高速公路上限制机动车的最低、最高车速，是根据高速公路设计速度而确定的。一方面，超速行驶的机动车要超越正常行驶的车辆，每超越一辆车，可能就增加一次交通事故的危险。尤其是货车超速行驶，遇到猝不及防的紧急情况，极易发生撞车、追尾等事故，因此被人戏称为“祸车”。快不行，慢也不行，过慢行驶会影响前后车间距，并增加后车超车和变换车道次，既影响效率，又有安全隐患，因此，高速公路对车速也有最低限制。

表1 各等级公路技术指标

另外，《道路交通安全法》还明确了“机动车在道路上发生故障，需要停车排除故障时”应该承担的示警报警等法律义务。

GB 7258—2012《机动车运行安全技术条件》规定：公路客车、旅游客车和危险货物运输车及车长大于9 m的未设置乘客站立区的公共汽车应具有限速功能，否则应配备限速装置。限速功能或限速装置应符合GB/T 24545《车辆车速限制系统技术要求》的要求，且限速功能或限速装置调定的最大车速对公路客车、旅游客车和未设置乘客站立区的公共汽车不得大于100 km/h，对危险货物运输车不得大于80 km/h。专用校车应安装符合GB/T 24545要求的限速装置，且调定的最大车速不得大于80 km/h。

1.2 电动车车速有界限

2007年实施的《新能源汽车生产准入管理规则》和2012年发布的《节能与新能源汽车发展规划(2012-2020)》，都将电动汽车定义为时速不低于80 km/h，续航力里程不低于80 km的高速高端汽车，而将小型短程低档的低速电动汽车拒之门外。

深受新农村及小城镇中低端市场认可和欢迎的、时速低于80 km/h的低速电动汽车处境尴尬：因得不到产业许可和行业认证，而不能获得扶持和奖励。究其原因，是“弯道超车”的民族梦想在作祟。在传统内燃机汽车领域，我国已经落后，但在纯电动汽车领域，中国和世界先进水平相差不远，如果政策措施到位，完全可以实现“弯道超车”。北京奥运及欧美金融危机期间，抢占先机的“弯道超车”热情曾在中国汽车界、金融界风靡一时；再加上中央地方两级补贴的优惠政策，更让电动汽车企业遍地开花。

就电动汽车产业而言，“弯道超车”既是前所未有的历史机遇，也是毋庸置疑的严峻挑战。长期以来，生产企业拼市场，科研院所盯获奖，终端用户盼补偿，电动汽车产业受“产学研用，各自为政”的体制短板效应制约，总是走不出计划没有变化快的历史局限性：5年前有关部门陆续出台的鼓励发展电动汽车规划基本“落空”，“弯道超车”梦想也未能如愿。不可否认，我国已掌握了节能与新能源汽车整车设计、系统集成等技术，产业链也初步形成，但传统汽车基础理论及研发技术的先天不足，使我国新能源汽车核心技术，特别是关键零部件技术与国外差距仍然较大，产品成熟度也有待提高。随着特斯拉(Tesla)等诸多国际知名电动车企强势进入中国市场，让不少人认为国内电动汽车产业的发展，不但没有实现“弯道超车”，反而“弯道误车”，不仅已经丧失了抢占市场的先机，还得在策略上“从头再来”。

产业化、商业化的电动汽车，应该符合以下几点特征：准确的技术定位、恰当的使用价值、适宜的区域特征、最佳的效能优势、经济的车型配置、可靠的性能指标、耐用的环保电池、丰富的合作资源、完善的服务网络，才能为用户所欢迎。新能源汽车发展的主要争议是高低端电动汽车齐头并进，还是继续“弯道超车”；是直接发展纯电汽车，还是先从混合动力汽车过渡。而实际上，新能源汽车发展的理性节奏应该是先混合动力，再纯电动，最后过渡到燃料电池。即首先发展小型纯电动汽车和插电式混合动力电动车；在混合动力技术得到广泛应用的基础上，再加大小型纯电动汽车和插电式混合动力汽车的推广力度；在纯电驱动技术将逐步占据主导地位后，通过发展纯电动汽车和燃料电池汽车，最终实现大幅度节能减排。

1.3 高低速结构有特点

汽车的高低速结构特点，在发动机、轮胎及车辆外形等方面有突出表现。

表2 常用的轮胎速度等级 km/h

(1)发动机

由车速公式可知：当车轮滚动半径和传动比固定时，车速与发动机转速成正比。

汽车发动机以其所能输出的最大转矩及其相应的转速作为评价其动力性的重要指标。按转速划分，把最高转矩转速3000 r/min左右的发动机称为低速发动机，3600 r/min左右称为中速或者中高速发动机，4000 r/min以上为高速发动机。

以缸径和冲程比来划分：缸径比冲程短的是低速发动机，相等或基本相等为中速发动机，缸径大于冲程为高速发动机。因为高速发动机的最佳转速区间较高，对于那些习惯低速换挡的驾驶员来说，很容易走进“速度越低越省油”的误区。

(2)轮胎

轮胎标识标准化规定，轮胎规格标识要注明轮胎的速度等级——轮胎在规定条件下承载规定负荷的最高速度。英文字母从A到Z，代表了从4.8～300 km/h的认证速度等级。

因为有速度等级的轮胎必须达到超高性能要求，所以必须有与性能相适应的轮胎胎体材料、胎体结构、胎面外形和花纹，轮胎价格。

(3)导流罩

导流罩又称导风板，是装在载货汽车或牵引汽车驾驶室顶部的空气导流装置。

导流罩可以改善车辆的空气动力性，是提高生产效率、降低燃料消耗、改善使用性能、降低汽车污染和噪声的重要措施。对于迎风面积大，行驶速度高，总体上流线性差的汽车列车、厢式货车等显得尤为重要。因此，高速公路上的商用汽车大都装有导流罩。

汽车的高低速结构特点，还要考虑路面不平度。与《中国典型汽车道路谱》有关的研究与开发，形成了日益完整的中国实际道路条件的基础数据库及软件系统，为开发出更多、更好地满足中国道路特点的汽车做出了积极的贡献。

2 调速之诉

低速发动机，对低速加速反应相当敏捷；高速发动机，则对高速“减负”反应特别强烈。为了稳定工况，汽车发动机和传动系统都设置了调速器、差速器、减速器等辅助装置。

2.1 队列人群基线特征 基线时用MS诊断标准将队列人群分成两组，MS组467人，非MS组867人。基本体格特征和实验室特征比较，除年龄、总胆固醇（TC）、低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）外，MS组的体质指数（BMI）、腰围（WC）、收缩压（SBP）、舒张压（SBP）、空腹血糖（FPG）、TG、HDL-C测量均值均高于非MS组，两组之间差异均有统计学意义（P＜0.001）。见表1。

2.1 转速调速器

柴油车和电动汽车都离不开调速器。

柴油机的负荷经常变化，当负荷突然减小时，若不及时减少喷油泵的供油量，柴油机的转速将迅速增高，甚至超出柴油机设计所允许的最高转速，这种现象称“超速”或“飞车”；相反，当负荷骤然增大时，若不及时增加喷油泵的供油量，则柴油机的转速将急速下降直至熄火；这些偶然原因造成柴油机超速或怠速，汽车驾驶员很难作出迅速响应，必须借助调速器，及时调节喷油泵的供油量，才能保持柴油机稳定运行。由此可见，在柴油机上安装调速器是由柴油机的工作特性决定的。

柴油机调速器按其工作原理的不同，可分为机械式、气动式、液压式、机械气动复合式、机械液压复合式和电子式等。目前应用最广的机械式调速器结构简单，工作可靠，性能良好。

按调速器起作用的转速范围不同，又可分为单极式、两极式和全程式。单极式调速器只限制柴油机的最高转速；两极式调速器具有防止超速和怠速的双重作用；全程式调速器对柴油机整个工作转速范围内的任何转速都起调节作用，使柴油机一直稳定运转。中、小型汽车柴油机多数采用单极式或两极式，重型汽车则普遍采用全程式调速器。

柴油车离不开调速器，喷油泵和调速器内部的运动件运动阻力过大或配合间隙过大时，都会使调速器的灵敏度下降。此时，供油量的改变明显滞后于转速变化，转速会在较大的范围内出现周期性地忽高忽低，俗称柴油机“游车”。当柴油机发生“游车”时，踏下或松开油门踏板后发动机的转速反应迟缓。柴油机“游车”时应对喷油泵和调速器进行维修，使其恢复调速功能。

对于电动汽车来说，电动车电机的启动、运行、进退、速度、停止都是由电机控制器统一控制。作为核心控制部件的电机控制器是电动车的大脑。

2.2 轮边减速器

轮边减速器，是为满足整个传动系统动力匹配的需要，而增加的一套降速增扭的齿轮传动装置。轮边减速器安装在车辆动力输出终端，使车轮在地面附着力的反作用下，直接产生较大驱动力，从而使变速器、传动轴、主减速器、差速器、半轴等负载减少、尺寸减小，使驱动桥获得更大的离地间隙。

装备轮边减速器，既可以提高驱动力，又能够增加通过性。所以，广泛应用于重型货车、大型客车、越野汽车及其它一些大型工矿用车上，特别是将牵引电机与轮边减速器、驱动桥巧妙集成的电动轮驱动技术，在大型露天矿山运输设备上的运用与日俱增。

2.3 轮间差速器

众所周知，汽车在直线行驶时左右2个驱动轮的转速是相同的，但在转弯过时两边车轮行驶的距离不是等长，因此车轮的转速肯定也会不同。差速器的作用就在于允许左右两边的驱动轮以不同的转速运行。差速器处于传动轴与左右半轴的交汇点，从变速器输出的动力在这里被分配到左右2个半轴。由于差速器允许车轮以不同转速转动，所以在泥泞等路面，当一个驱动轮打滑时，另一个驱动轮仍可获得前进动力。

蜗轮蜗杆式托森差速器利用蜗杆传动的不可逆性原理和齿面高摩擦条件，使差速器根据其内部差动转矩(差速器的内摩擦力矩)大小而自动锁死或松开，即在差速器内差动转矩较小时起差速作用，而过大时自动将差速器锁死，有效地提高了汽车的通过性。

3 变速之诉

变速器是能固定或分挡改变输出轴和输入轴传动比的齿轮传动装置。变速器的存在，使发动机与驱动轮之间的总传动比i能够按操作意愿发生变化，使发动机转速接近最佳转速区间。

常见的汽车自动变速器有3种型式：液力自动变速器 (Automatic Ttransmission，缩写AT)、电控机械自动变速器(Automated Mechanical Transmission，缩写AMT)和机械无级自动变速器CVT(Continuously Variable Transmission，缩写CVT)。

3.1 液力自动变速器AT

表3 2款法士特MT变速器前进挡的传动比

AT由液力变矩器、行星齿轮和液压操纵系统组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。其中液力变矩器是AT最重要的部件，它由泵轮、涡轮和导轮等构件组成，兼有传递转矩和离合的作用。

AT的最大特点是行星齿轮组。行星齿轮在组合出不同的输入输出轮之后，齿比和输入输出的相对方向都会有变化，这种特性用作汽车变速器可谓巧夺天工。为了增加挡位，AT中的行星齿轮升级成了齿轮组、齿轮排，齿轮组、齿轮排再与液压操纵系统组合，便构成了不同挡位。当然，齿轮组、齿轮排越多，变速器的挡位也就越多，最佳车速也越容易获得，因为变速器的体积和质量与“齿”俱增，所以AT更适合于重型、大型汽车。

3.2 无级自动变速器CVT

CVT采用传动带和可变槽宽的滑轮组进行动力传递，与其它变速器相比，CVT既没有MT的众多齿轮副，也没有AT复杂的行星齿轮组，所以结构简单，体积更小。

CVT传动系统里，由一对滑轮和一根钢制传动带组成，每个滑轮又是由2个锥轮组成的V形结构，曲轴连接小滑轮，通过传动带带动大滑轮。左右两半锥轮在液压推力作用下相对接近或分离，以此来调节V型槽的宽度。当锥轮向内侧移动收紧时，传动带在锥轮的挤压下向离心方向运动(相反会向向心方向运动)，这样传动带带动的滑轮直径增大，传动比也就发生了变化。CVT通过改变驱动轮与从动轮上传动带的接触半径进行变速，因此动力传输持续而顺畅。

因为锥轮和钢带的接触面积比较小，又是时刻变化，所以CVT容易“打滑”，动力传递也会因“打滑”而降低效率。另外，钢制传动带能够承受的力量有限，大排量高转矩车型目前还不能装备CVT。从长远来看，CVT连续变速的特点，能够使发动机一直处于一种“舒服”的健康转速区间，所以，CVT不失为乘用车中一种十分理想的变速器。

3.3 机械自动变速器AMT

AMT，是在传统的手动变速器基础上加装传动控制单元(TCU)改进而来。

AMT不仅保留了原齿轮变速器效率高、低成本的长处，而且还具有液力自动变速器自动换挡的全部优点。驾驶员通过加速踏板和操纵杆向TCU传递控制信号；TCU根据发动机转速传感器、车速传感器等信号，掌握车辆的行驶状态；TCU按照内存中的最佳程序、最佳换挡规律、离合器模糊控制规律、发动机供油自适应调节规律等，对发动机供油、离合器的离合、变速器换挡等3个动作及顺序实施最佳匹配，从而获得燃油经济性、动力性、平稳起步以及迅速换挡的综合能力，全面达到驾驶员所期望的变速结果。

与AT相比，AMT没有液力变矩器这样的耗能生噪装置，所以有明显的节能环保价值；同时，因为MT的基础结构未变，所以又可以设计成手动自动一体化的新型变速器。AMT以特有的安全舒适性和方便可靠性而备受欢迎，迅速成为各国汽车零部件企业研发的热点。以陕西法士特集团公司、中国重汽集团公司为代表的重型变速器生产企业也都有相当不错的开发成果面世。

AMT的美中不足是：结构简单但工艺比较复杂；功能完美但价格不够亲民；TCU软硬件设计改进总有余地；执行机构快速响应品质的控制特别难能可贵等。尽管AMT产业化的进程不会一帆风顺，但前景广阔的发展空间依然值得期待。

无级变速之诉，呼唤技术进步：手动挡抑扬顿挫，自动挡好事多磨，无级变速发展慢，手自一体高价格……此事古难全，今人又奈何？

从极速到限速，从调速到变速，最佳车速之诉，总是备受关注。因为限速、调速、变速的每一次科技进步背后，都经过战略与战术的挑战，技术与艺术的博弈，所以，车速之诉，任重道远。