為什麼轎車發動機不能裝到卡車裡，通過變速箱解決動力問題?
為什麼轎車發動機不能裝到卡車裡，轎車的4.0T發動機也有500多馬力的，扭矩有700多牛米，那麼只需要安裝一個齒比大一點的變速箱和後橋就能解決，反正卡車變速箱動輒12，16檔，而且轎車發動機可以到5000轉，卡車只有2000到3000轉，可以用轉速彌補頻繁換擋，那麼為什麼卡車一定要用10幾升排量才500多馬力2000多牛米的發動機呢？
轎車的發動機要是能有個500馬力以上的，拉這麼兩噸上下的重量，油耗能有10L/100km左右算是非常省油了，多跑點市區15L/100km也沒人會說離譜，要是右腳再放肆一些，上20L/100km也並非不可能，反正我開GLE 63那兩天就沒試過低於20L/100km的……
而貨車的這些發動機，排量普遍要比剛才提到的「大排量」轎車發動機再大一倍以上（9-12L是比較常見的卡車發動機排量範圍），馬力可能稍小一些300到400匹之間浮動為主，但扭矩1000Nm是起步，上2000Nm不稀奇。
這樣的參數，油耗如何呢？連車帶貨40噸以上，大概是40L/100km吧，視路況不同有所浮動，據說技術比較先進的進口重卡現在甚至可以把這數字拉低到30L/100km出頭。
你敢想像要是用這些轎車機頭去拉40噸重量，油耗會是現在普通貨車的多少倍嗎？
還有一點，商用車的動力匹配跟乘用車完全不是一個思路。
乘用車的動力有一大截都屬於「儲備」部分，意思是正常行走時只需要用到動力的其中一（小）部分，發動機從設計之初就是以大部分工作時間都是低負荷工況來考慮的，就這樣要是能做到30萬公里無大修都屬於「傳家寶」級別的好機頭了，人人都給它豎大拇指。
但商用車的動力是真·按需分配，需要多少給多少，盈餘量留得非常有限，意思是哪怕正常行走，也得用到動力的絕大部分，甚至是全部（重卡滿載起步加速和爬坡長時間地板油再正常不過），重負荷工況幾乎就是每時每刻的事情，保養周期為了能多刷刷出勤率還得儘可能拉長……就這樣，你要是30萬公里就得大修，估計沒人會買你車……
從發動機萬有特性曲線看：
1、轎車發動機的最大功率狀態效率非常低，從油耗上看完全不划算。
2、轎車的最大功率點對應轉速非常高，而高轉速下發動機的磨損非常嚴重，從壽命和可靠性上看不划算。
綜合以上兩點，再考慮到發動機高轉速下的噪音和震動都比較嚴重，用轎車發動機改減速比來驅動卡車基本上不具備現實意義。
簡單三方面說吧。
一是功率夠不夠。傳動系統可以減速增扭，但不僅不能無中生有增大功率，還會有功率損失。一定時間裡，克服各種阻力把貨物移動一定距離，必定要有足夠大的功率。
二是汽油機轉速高、扭矩小。高扭區在高轉速區，不像柴油機可以在低轉速時提供較大扭矩（這段很不嚴謹，意思意思沒錯），所以即使改變傳動比，也要讓汽油機工作在較高轉速，這會造成油耗大。例如早期2.5噸輕卡，全速滿載百公里油耗汽油機12升以上，柴油機不到6升。——當然還有其他一些原因共同造成這個問題。
所以客戶汽改柴，從八十年代後期開始，卡車是靠用戶、靠市場淘汰了汽油機。其他原因是次要的，油耗是主要的（輕卡、中巴，國家當時想推汽油機，主要是汽油機成本低，便宜）
第三，轎車負荷小，發動機標的功率大，按過去說法是「十五分鐘追擊功率」，不能長期大負荷工作，否則壽命會急劇下降、故障率上升。卡車、工程機械負荷率較大，柴油機功率標的要較小，可以長期大負荷工作。
說實話，做了這麼多年的動力總成，乍一看這個問題還真犯嘀咕，然後去查了點資料（回憶了碩士階段的噩夢......），咱們先看一張表（自己總結的，有些數據不精確，只能通過大學教材預估）。
簡要回答：
解決動力問題不能光看功率（即多少hp馬力），必須扭矩T-Torque （單位牛米Nm）和轉速綜合比較。
基本公式：功率P = 扭矩T * 轉速n
變速箱在卡車裡的本質任務：輸入發動機動力，通過不同檔位升高扭矩並且降低轉速，低檔位是為了車速較慢時候提供高扭矩 用於盡快加速起步，隨著車速提升，檔位升高齒比變小，最後達到最高檔位，即變速箱基本不改變扭矩轉速（齒比約為1）。在此過程中，都盡量讓發動機保持在900-1500轉的最佳燃油經濟的轉速區間。
見文末的問題解析：為何無論柴油機汽油機，最佳燃油經濟區間一般只在一兩千轉左右？
見文末的問題解析：為何燃油經濟性對卡車如此重要？
上圖看出，一輛保時捷911中高配置有差不多700Nm多扭矩，自動擋變速箱松離合把轟油門到6000轉，一檔i1=5，差不多把扭矩提升到3500Nm，這時變速箱輸出的轉速也相應下降到1200轉。假設800轉最終一檔能達到的最大速度40km/h，然後變速箱自動升到二檔。
現在把一個(450hp+700Nm)發動機裝進一輛載荷幾十噸的重卡，上圖所知，重卡起步需要起碼2000Nm*20=40000Nm的變速箱輸出扭矩，而發動機只有700Nm，就是說一檔齒輪比i1要做到40000除700 約等於60。問題來了！
問題1：i1=60的話，變速箱的一檔齒輪必須做的很大，變速箱也將變胖很多，最後變速箱比發動機大好幾圈，空間上這在寸土寸金的發動機艙基本不可能（歐洲是對重卡整車長度有上限要求，所以駕駛艙都是大長臉，而北美只要求拉貨部分長度，所以都是大鼻子，如下圖）。更重要的是，每個變速箱第一檔在設計之初，首要考慮的就是高扭矩對齒面的破壞性，簡言之，一檔越做越大，扭矩線性提升，齒輪耐久性是呈指數下降的。
見文末的問題解析：為何齒比增大，輸出扭矩增大，齒輪耐久性呈指數下降？
問題2：即使問題1通過北美重卡那種大鼻子設計得到解決，耐久性得到解決，一檔60齒比的大齒輪裝進去了，6000轉的發動機轉速在變速箱後就是100轉了，一檔能達到的最大速度才不到4km/h。裝了個這麼大的一檔齒輪就是為了把幾十噸的車子加速到5km/h不到？！發動機轟到上萬轉也沒有10km/h。來來來，大家求一下剛上高速準備加速到60km/h以上的重卡司機後身後跟著的轎車車主的心理陰影面積......
綜合幾十年的積累，對於幾十噸載荷的重卡，現在市場主流的最優化方案是：
- 由於有限的發動機艙橫向空間，主要通過提高單一氣缸的排量來提高扭矩，大多採用直排六缸設計，每一個氣缸排量約兩升（轎車單一氣缸排量約半升），這使得最大扭矩區間的轉速在900-1500轉左右。
- 於是最高功率區間也一般低於2000轉。考慮到活塞和軸轉動摩擦等因素，最佳燃油效率基本也在1000-2000轉。
- 發動機方面，能做到的最大扭矩也就3000Nm了，接下來看變速箱。一檔的齒比必須要做到15以上，達到40000-50000Nm的變速箱輸出端扭矩用於起步。但是發動機最佳扭矩區間只有900-1500轉（轎車氣缸比較小，這個區間比重卡大很多），基本就是睬踩油門到了1500轉就要升一檔了（2000轉以上對於重卡來說已經實在飆車啦）。
- 慢慢升檔，最終變速箱的最高檔位跟轎車相似，基本就是發動機1500轉，變速箱齒比1左右，達到約100km/h的車速。
- 所以，重卡變速箱會有十幾個檔位，一方面要讓發動機轉速保持在最佳扭矩區間（此區間比轎車小很多），另一方面，通過變速箱較高齒比的一眾低檔位，讓車速儘快抬升至60km/h（這個速度是德國高速行駛車輛的最低要求），盡量不被後面的轎車dis。具體見下圖：
- 總之：考慮到空間布局和燃油經濟性，重卡的發動機要比轎車扭矩高3-5倍，變速箱檔位比轎車多3-5倍，通過強勁的發動機和頻繁的換擋來一步一步達到合理加速至max.100km/h的過程。
所以，咱們開高速如果看見一台老舊的重卡要上來，能讓就讓一條右道出來吧，不僅是為了安全，人家手忙腳亂到60km/h要換10多個檔位，為了避讓咱一腳剎車檔位回到解放前......
問題解析：
- 為何無論柴油機汽油機，發動機高轉速的燃油經濟性一般都很差？
答：考慮發動機的燃油經濟性必須參考發動機所有能量流，比如機油散熱等損耗，而不僅是傳導到變速箱的機械能。可參考發動機功率和轉速曲線，可以發現過了一定轉速功率有所下降。簡言之轉太快了過了零界點不利於燃油充分燃燒，活塞往複輸出的扭矩下降，反而輸出功率會下降。最重要的是，發動機有些耗能設備轉速越高，額定功率更高。比如保時捷的機油泵，一般有兩三級的機油增壓，高壓部只有在高轉速才開啟，因為2000轉到6000轉基本需要起碼double的機油壓力去潤滑和冷卻發動機內部有相對摩擦的部位。簡言之就是轉速高了，能產出的功率本來有所下降，跟變速箱一起來分功率的部件也多了，經濟性肯定不好。
- 為何齒比增大，輸出扭矩增大，齒輪耐久性呈指數下降？
答：提到三倍的齒比，齒輪要不擴大直徑、要不增多齒數，前者不僅對發動機艙空間有過分要求，更會極大增加齒輪重量和動平衡調教難度，而後者把齒做的太密太小嚴重影響單個齒的承載能力。一般齒比線性增高對齒輪耐久性線性下降，需要更好的加工和變面處理工藝，當然成本也是直線上升。
- 為何燃油經濟性對卡車來說如此重要？
歐洲的情況是，運營一輛遠程大卡車（德國有90%以上的物流是通過卡車為主的公路運輸完成）的總成本，司機工資、油耗和其他費用各佔1/3，其他費用包括卡車的維修保養、各種稅費和折舊購車貸款償還等。根據Auto Motor Sport的數據，德國遠程大卡每年平均跑約41000公里。可見省油對於卡車運營成本壓縮有多重要！
（未完待續）
舉幾個極端的例子，巨型礦運卡車
上面這個卡車是日本一家企業生產的——小松960E-1
它總重達650噸，搭載3500馬力柴油發動機，採用電力驅動，布加迪這種1000多馬力的在塔面前就是個娃娃，但是3500匹的柴油機在它身上只用來發電，內燃機在這麼龐然大物上力量明顯不足，再牛逼的變速箱都能直接累報廢。要知道同體積的電動機可以打爆內燃機。
再來看看航母，航母用的是蒸汽輪機（感謝知乎好友提醒，工作不到位 @神鬼寓言 ），那個核動力也好，只是用來燒鍋爐的，只有蒸汽輪機才有這麼大的力帶動龐大的航母。
對於大卡車來說馬力並不是最重要的，巨大的裝載量需要更大的扭矩，並且家用轎車4.0T的發動機價格那可就高的離譜，高轉速帶來的高油耗可不是卡車司機想看到的，長期高轉速也意味著壽命降低，經濟性方面完全不可行。
推薦閱讀：
