許暉

可能不少人早在孩提年代就已經(jīng)通過各種遙控玩具，特別是那盛極一時，由日本田宮推出，風(fēng)靡全球的四驅(qū)車玩具，得到了對電動車基本原理的啟蒙認識。當年這偌大的玩具著實讓人沉迷于其中。相信不少還會癡迷于如何讓自己的小車跑得更快以及更遠。解決辦法無非就是換裝大容量的電池以及更高轉(zhuǎn)速的強力電機。而其中的強力電機則成為了暴力黨心中神一般的存在。也讓不少人認為，只要電機足夠強勁，那么電動車的性能就可以無往而不利。實際上這種說法只對了一半，畢竟這個世界上還有一個名詞叫做“極限”，任何事物在逼近極限之后只有兩種可能，要么突破極限，反之則逐步回落。物理原理這玩意就只這么實誠地存在。

田宮的變速箱模型

有多少人還記得這玩意

齒輪是一種讓直男著迷的東西

發(fā)動機都沒了齒輪箱還在么

電動車需要齒輪箱么？

發(fā)動機與變速箱作為汽車兩個最為重要的零部件，本應(yīng)永不缺席任何一個車企的新車宣講內(nèi)容。發(fā)動機的強勁動力、變速箱的傳遞效率，兩者之間相互匹配，成為了決定車輛性能的關(guān)鍵所在。隨著電動車的逐步普及，發(fā)動機是肯定不會再提，而變速箱的話題亦變得日漸息微。以至于電動車企業(yè)在宣傳上必然廣而告知的就是電機，卻鮮有提及齒輪箱。似乎對于電動車而言，憑借電機天生極高的轉(zhuǎn)速和寬廣的扭矩輸出范圍，只要做得足夠強勁即可，最好能每個輪子給配上一個，轉(zhuǎn)軸直接連上輪轂，想跑多快就能多快，至于變速箱這坨又重又大的“鐵疙瘩”，反倒沒有了存在的意義。

難道電動車真的就和我們小時候所著迷的那些電動模型一樣，大容量電池外加厲害的電機就能獨步天下？愿望總是很豐滿，事實也的確很骨感。咱們不排除日后，當新的磁化材料與生產(chǎn)工藝得到突破，或者制造技術(shù)有了顛覆性的進步，這個工程師們的夙愿或許能成事。但就當下而言，大家所期望的這種電機是沒有的，最起碼目前所有為電動車輛設(shè)計，特別是載人載貨在路上奔跑的電動車上是不存在的。

舉一個基本行駛訴求，如何讓車輛從靜止狀態(tài)緩慢起步至慢速狀態(tài)，這在以往的內(nèi)燃機動力車輛上通常就是的簡單一擋起步模式，通過變速箱將發(fā)動機的動力轉(zhuǎn)換為低速大扭矩狀態(tài)推動車輛起步。可放在電動車上則成為了一個必須面對的難題。眾所周知，電機在扭矩恒定的情況下，轉(zhuǎn)速與功率成正比，也就是說倘若驅(qū)動電機為恒定功率，那么轉(zhuǎn)速越低，電機的體積與重量則越大，反之倘若為了滿足車輛安裝所需的電機尺寸以及重量，那么個小體輕的電機輸出功率曲線注定無法滿足車輛正常行駛的要求，別說直接驅(qū)動車輪，就連起步都成為天方夜譚。而解決這一問題的優(yōu)選辦法就是為電機匹配上一個合適的變速器。準確來說應(yīng)該稱之為減速器，通過將極高的電機轉(zhuǎn)速與減速齒輪組合，達成降速增扭的目的。電機配減速器的解決方案方案，從根本上降低了驅(qū)動系統(tǒng)的整體重量和制造成本，這對于車企以及消費者而言都是一件好事。

曾幾何時發(fā)動機+變速箱代表著車輛的性能

這里原本是發(fā)動機的家

說到這里或許有人會問，現(xiàn)在不是還有一種技術(shù)稱之為輪轂電機么？車輪內(nèi)就是電機難道也需要減速器么？沒錯，不論是中央電驅(qū)橋還是輪邊電機，甚至輪轂電機。只不過是電機變了個樣子而已，只要其動力來源仍是電機，那么就無法跳脫上面所提到的扭矩、轉(zhuǎn)速、功率、體積、重量幾者之間的相互制衡。事實上，輪轂電機同樣也有減速器設(shè)計，只不過整合在電機附近大家看不到而已。

另外一點需要強調(diào)的是，車輛在轉(zhuǎn)彎的時候勢必產(chǎn)生左右輪轉(zhuǎn)速差，傳統(tǒng)動力車輛通常使用差速器原理，根據(jù)阻力變化調(diào)節(jié)來自車輪之間的轉(zhuǎn)速差以應(yīng)對這個問題，可倘若采用電機直接驅(qū)動車輪，那么如何解決電機之間的轉(zhuǎn)速差將會是汽車工程師的噩夢。這不僅需要通過極其復(fù)雜的算法去匹配車輛轉(zhuǎn)彎半徑以及輪速差，還需要考慮如何保持車輪在動態(tài)之中的實際轉(zhuǎn)速與理論計算值保持一致，要不難免出現(xiàn)車輪打滑所帶來的安全問題。為此目前的電動車結(jié)構(gòu)上依然需要齒輪箱的介入，電機配合減速齒輪箱的解決方案在解決以上問題之前會一直成為主流方向。

外轉(zhuǎn)子輪轂驅(qū)動沒有減速器但通常尺寸重量巨大

內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂驅(qū)動通常集成了行星齒輪減速器

采埃孚AxTrax AVE輪邊電驅(qū)橋可應(yīng)用于大型車輛

兩擋減速器是趨勢

只說減速器不說與之配合的電機，就如只強調(diào)變速箱而不談發(fā)動機性能一樣難以讓人信服，為此在討論兩擋減速器之前需要先給大家科普兩個，通常不被普通消費者所關(guān)注電機重要參數(shù)，方便大家更好理解后面減速器相關(guān)內(nèi)容。

首先是“基速轉(zhuǎn)速”，其代表著電機在額定電壓時，零負荷空載轉(zhuǎn)速。在低于基速轉(zhuǎn)速之前，電機具有恒扭矩特性，此時電機可以輸出最大扭矩;基速轉(zhuǎn)速之后電機則具有恒功率特性，此時電機可以保持恒定功率輸出，但是扭矩會隨著轉(zhuǎn)速提高呈雙曲線下降。也就是說當電機轉(zhuǎn)速突破了基速轉(zhuǎn)速，隨之而來的將會是扭矩下降，這也很好解釋了為什么電動車在起步階段很猛，而一旦到了一定速度之后的再加速會覺得力不從心。

其次則是“轉(zhuǎn)速比”。它指的是電機最高轉(zhuǎn)速與電機基速轉(zhuǎn)速的比值。不同特性的電機，轉(zhuǎn)速比有所不同。具體不展開描述，大致可歸為永磁同步電機轉(zhuǎn)速比通常小于2;異步電機可達到4;開關(guān)磁阻電機能達到6。對于電機來說轉(zhuǎn)速越低電耗越小，反之轉(zhuǎn)速越高能耗越高并且扭矩下降。所以轉(zhuǎn)速比越小電機效率越高但最大扭矩越小;轉(zhuǎn)速比越大最大扭矩輸出越大但效率越小?？梢哉f轉(zhuǎn)速比直接反映了電機的扭矩和效率就如魚與熊掌般不可兼得。也解釋了為何電動車跑高速時候更費電，而不是像傳統(tǒng)動力汽車那樣更省油！

電機的理想工況在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域

單擋減速器憑借較高的傳動效率、豐富的可選資源、開發(fā)難度小，成本低等等優(yōu)勢，不但可以滿足目前中小型電動車的設(shè)計要求和成本控制，也降低了車企對于選用電機的適配門檻，關(guān)鍵還能讓用戶有十分不錯的駕乘體驗。為此電機搭配單擋減速器的解決方案，成為了目前車企的主流選擇并應(yīng)用在大多數(shù)市售純電動車型上。

事物終歸具有兩面性。在看到單級減速器方案優(yōu)勢的同時，我們也應(yīng)該了解其不足所在。單擋減速器單一的傳動比，通常無法同時兼顧純電動汽車的動力性和經(jīng)濟性。雖然目前較好的電驅(qū)動效率實驗室數(shù)值能達到接近85%左右，但在實際行駛之中，為了滿足電動車爬坡、高速和加速等等要求，電機不僅要在恒功率區(qū)為車輛提供較高運行速度，而且要在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)提供高瞬時轉(zhuǎn)矩輸出，這時候電驅(qū)動效率往往有所折損，也意味著難逃能耗損失的命運。要知道對于日常生活中使用的電動車來說，能源轉(zhuǎn)化效率每提高1%，續(xù)航里程就將增加2%。如何盡可能增加電池續(xù)航里程是所有車企夢寐以求的愿望。

內(nèi)燃機（棕色）與電機（藍色）隨著轉(zhuǎn)速增加截然不同的扭矩與馬力輸出曲線

合適速度換擋司提升電機效率

是否原以為電動車很簡單，裝上電池就跑，畢竟電機看著比發(fā)動機省事，可原來大有學(xué)問。估計不少電動車車主會有一種感覺，那就是當電動車處于高速巡航、高速超車期間，“電門”踩到底仍略顯后勁乏力。這是因為即便此時電機已然全力以赴，甚至在徒勞的嘯叫聲中接近極限轉(zhuǎn)速，但終因物理特性注定此刻并不在最高效的恒轉(zhuǎn)矩工作區(qū)間，效率反而還不如內(nèi)燃機車型。看來兩擋減速器閃亮登場的時刻到了。工程師為電機的減速器增加一個擋位，將原有的單一齒比合理分為大小兩種速比，大速比齒輪組讓車輛起步更為強勁快捷，而小速比齒輪組則在電機突破基速轉(zhuǎn)速，扭矩有所下降的時候?qū)㈦姍C的轉(zhuǎn)速拉回到最優(yōu)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)內(nèi)。為車輛長距離高速行駛訴求提供服務(wù)，電機轉(zhuǎn)速下降不但順道還解決了高轉(zhuǎn)速所帶來的電機嘯叫，提升整車NVH性能，省電的同時也代表著續(xù)航里程得以增加，實為一舉多得。

Taycan兩速變速箱的分解圖

保時捷Taycan是第一款真正的兩擋純電跑車

百花齊放的兩擋減速器

與多種多樣的傳統(tǒng)變速器一樣，兩擋減速器具有著眾多的技術(shù)路線，也有著一定的技術(shù)門檻。不無夸張地說，對于傳統(tǒng)零部件供應(yīng)商來說，只要玩過齒輪的幾乎都有自己對應(yīng)的兩擋減速產(chǎn)品，對于車企而言，為了搶占EV市場先機同樣不甘示弱。此處分享一個小故事，特斯拉最初曾計劃在其高性能概念車Roadster上，安裝一套兩擋減速器以讓車輛獲得最佳性能。但隨后尷尬地發(fā)現(xiàn)，沒有任何傳統(tǒng)造車經(jīng)驗積累是根本無法造出這套設(shè)想之中減速器。糾結(jié)之余也因為這套系統(tǒng)的進度讓其車型陷入了延誤與成本超支的境地，最終只能放棄幻想。不過經(jīng)此一役，聰明的特斯拉也找到了適合自己的另類的兩擋解決方案，那就是在同一臺車上采用前后兩種不同的齒輪。也就是說Model S、Model X以及Model 3車型上前后驅(qū)動單元均具有不同的齒輪比，低速行駛時動力主要來自于為低速行駛優(yōu)化的后驅(qū)動單元，而當需要高速巡航時，行車電腦會將更多的電力提供給傳動比更好的前驅(qū)動單元，也不失為一劑良方。為此現(xiàn)在市面上兩擋減速器產(chǎn)品可謂百花齊放百家爭鳴。下面為讀者介紹幾家在兩擋減速器上下了一番功夫的典型企業(yè)。

兩擋減速器始終讓電機轉(zhuǎn)速保持在最佳的恒扭矩區(qū)間

采埃孚兩擋減速器結(jié)構(gòu)原理

采埃孚兩擋減速器

采埃孚ZF

作為老牌的變速器生產(chǎn)企業(yè)，采埃孚在把玩齒輪這個分項上具有獨特的功底與極高的造詣。一直為寶馬提供著名的8HP自動變速箱而揚名天下的采埃孚，老早就認準了電動車潮流勢不可擋，而內(nèi)燃機動力所需的傳統(tǒng)變速箱業(yè)務(wù)勢必受到極大沖擊，越早轉(zhuǎn)型就越能創(chuàng)造出更有優(yōu)勢的生存環(huán)境。為此早在2017年采埃孚就與媒體分享了關(guān)于兩擋減速器產(chǎn)品的資訊，并在2019年的全球媒體技術(shù)日上發(fā)布了首款電動車用兩擋減速器產(chǎn)品。

該電動乘用車兩擋減速器集成了先進的電機、換檔元件和相應(yīng)的功率電子。與上一代的電動汽車的減速器相比，其在70km/h時速下進行換檔，能量轉(zhuǎn)化效率得到大幅提高，電池續(xù)航里程可增加多達5%。緊湊型設(shè)計也滿足了緊湊型乘用車的裝配要求。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，通過后期調(diào)校和升級，可搭載于跑車和高性能車上。

說起高性能純電動跑車，保時捷的Taycan可謂真正意義上的兩擋純電性能跑車，官方資料顯示其兩擋減速器可承受最大550Nm的扭矩。配有一個行星齒輪組和兩個離合器，一個離合器負責(zé)完成正常的換擋動作，而另一個則可以使后橋電動機和整個后軸分離。整個變速箱中只有一個換擋執(zhí)行機構(gòu)，通過控制兩個離合器的開合負責(zé)一擋、二擋、倒擋、空擋、P擋所有擋位的執(zhí)行。盡管官方宣稱該兩擋減速器為自主研發(fā)，但是從具體結(jié)構(gòu)以及發(fā)布時間嚙合點來看，該系統(tǒng)或許自于采埃孚之手，極有可能采用InHouse合作模式共同打造，由采埃孚提供齒輪箱與PPE電動化平臺技術(shù)，保時捷加以整合以及優(yōu)化成型。

采埃孚這套兩擋減速器更為有趣的是，可根據(jù)客戶需求連接到車輛CAN通信，也可以通過連接數(shù)字地圖和GPS實現(xiàn)換擋功能。例如，車輛可以通過GPS路線編程識別到下一個充電站的距離，切換到省電（Eco）模式預(yù)測并執(zhí)行。在需要穿州過省跑長途時，換擋效率也將隨之提升。減速器軟件可以透過連接到云服務(wù)器進行OTA。從這點上看這款產(chǎn)品不單為電動車而生，更為日后智能汽車領(lǐng)域車型需求預(yù)留了極為寬廣的想象空間。

GKN著名的冬季測試

eTwinster兩速系統(tǒng)

應(yīng)用在寶馬i8上的GKN兩擋減速器

吉凱恩GKN

來自于英國的吉凱恩GKN也是一家已有250多年歷史的老牌供應(yīng)商，這家原為鋼鐵公司的企業(yè)，現(xiàn)如今專為飛機和汽車提供零部件產(chǎn)品。他們認為與單速變速器相比，雙速變速器的節(jié)能率高達10%，多速變速箱在電動動力系統(tǒng)中的最大作用應(yīng)該是將最佳加速性能和回收性能與最高車速結(jié)合起來，以幫助提高系統(tǒng)的整體效率。并且系統(tǒng)之中縮小電動機和逆變器的尺寸能讓整套系統(tǒng)成為考慮復(fù)雜度、成本和性能之間最佳折衷方案。

GKN對于電驅(qū)軸的技術(shù)方案最早是為了混合動力客戶準備的。早在2014年就將旗下第一個具備兩速功能的eAxle產(chǎn)品應(yīng)用在BMW i8前驅(qū)動橋上。該系統(tǒng)整體功率為96kW，峰值扭矩250Nm的電動機集成兩擋減速器為前輪提供動力。而BMW i8中的那臺三缸內(nèi)燃機則為后輪輸出最大170kW動力?？梢哉fBMW很好地將兩者整合了在一起。

GKN的研發(fā)工程師似乎喜歡跟自己較勁，隨后的數(shù)年間，GKN在自家產(chǎn)品上不斷迭代進發(fā)。2017年IAA法蘭克福車展上首次亮相了eTwinsterX系統(tǒng)，這是一套進化與先前自家eTwinster系統(tǒng)的全新產(chǎn)品，集成了電動機，兩擋減速器以及使用GKN獨特的“Twinster”雙離合器組件技術(shù)進行的扭矩矢量化分配。從官方數(shù)據(jù)來看，這套全新的eDrive系統(tǒng)采用了120kW的小型電動機，可為每個后輪提供3500Nm的最大扭矩，最大2000Nm的矢量，并可以以約250kph的最高車速運行。其最大的亮點自安于穩(wěn)定性和動態(tài)性能，同時驅(qū)動橋的同軸設(shè)計也進一步提高了效率。

寶馬i8前驅(qū)動橋上的GKN

GKN第三代兩速系統(tǒng)橫截面

GKN第二代電軸eTwinster

舍弗勒兩擋電驅(qū)動橋

舍弗勒Schaeffler48V P4模塊也設(shè)計有兩擋齒輪

麥格納

加拿大著名零部件供應(yīng)商麥格納在2016年以19億美元，完成對具有80年變速器研發(fā)生產(chǎn)歷史，為法拉利以及奔馳提供高端定制變速箱的格特拉克收購之后，可謂稱雄傳動領(lǐng)域。麥格納將自家動力總成電驅(qū)動部件，定義為極具成本效益的齒輪箱，可廣泛應(yīng)用于中型至高級車型。最大功率可擴展至50kW到150kW的運動型車輛。旗下1eDT200、2eDT200和1eDT350等電驅(qū)動部件，均搭載集成式執(zhí)行器。它們適用于純電動車型，亦可作為后驅(qū)裝置應(yīng)用于混合動力車型。整套產(chǎn)品組具有輕量化以及更優(yōu)的NVH性能，更可為P4混合動力應(yīng)用提供額外的電子耦合功能。其中2eDT200正是本文所探討的兩擋減速器產(chǎn)品。

麥格納的2eDT200

舍弗勒Schaeffler

同樣來自于德國的舍弗勒集團原本是一家以制造軸承著稱的企業(yè)，隨著產(chǎn)品與技術(shù)的發(fā)展，隨后更涉及到汽車、航宇以及工業(yè)等領(lǐng)域。1995年進入中國開始投資。早在2011年，舍弗勒就展示了一款專為純電動車設(shè)計的電驅(qū)動橋系統(tǒng)，他們認為未來的消耗和排放目標只有通過動力總成電氣化才能完全實現(xiàn)。因此，舍弗勒提供的產(chǎn)品涵蓋電氣化選項的全部帶寬-從48V混合動力汽車和插電式混合動力汽車到純電動汽車的驅(qū)動器。

這其中尤為值得關(guān)注的就是當時作為首款在中國落地并生產(chǎn)，并成功搭載于插電混動SUV長城WEY P8和長安CS75插電式混動SUV上的兩擋電驅(qū)動橋系統(tǒng)。這套系統(tǒng)采用緊湊的行星齒輪、定軸齒輪組，將差速器和轉(zhuǎn)子軸平行布置。轉(zhuǎn)子軸與差速器輸出軸的中心距僅為127.5mm，如此緊湊的組合讓舍弗勒兩擋電驅(qū)動橋的體積特別小，重量在輕量化后只有25kg，平行軸設(shè)計在不犧牲離地間隙的同時，更適合SUV車型那有限的后軸安裝位置。此外舍弗勒將其設(shè)計為模塊化，各部件之間都可進行調(diào)整，可以適配各種不同功率和類型的電機，譬如使用在長城WEY P8上的就是法雷奧的同步電機。

Ingear變形鏈輪高速擋狀態(tài)

Ingear變形鏈輪低速擋狀態(tài)

Inmotive

加拿大科技公司Inmotive推出了一款全新的有自主專利的電動汽車專用兩擋減速器，名為Ingear。這款產(chǎn)品專為下一代電動汽車研發(fā)和設(shè)計，不僅簡單耐用，還兼具系統(tǒng)高效、性能優(yōu)越、成本低廉以及延長電池續(xù)航里程等優(yōu)勢。通常，電機和車輪之間有兩副減速齒輪，車輪每轉(zhuǎn)一圈，電機約轉(zhuǎn)動九次。Ingear用連續(xù)鏈傳動和變形鏈輪取代了第二副減速齒輪。換檔時，執(zhí)行機構(gòu)會在車輪旋轉(zhuǎn)一圈所需的時間內(nèi)將鏈輪齒片引導(dǎo)到位，從而有效地增加或減少傳動比。這套結(jié)構(gòu)可讓電機和車輪保持同步，在整個換檔過程中實現(xiàn)連續(xù)的扭矩傳遞。目前Ingear已經(jīng)獲得了多家大型OEM客戶的青睞，2021年第一季度Ingear將被搭載在一款純電動乘用車上，并被用于路試。越來越多的客戶愿意和Inmotive合作進行兩擋變速箱的開發(fā)。在明年年初中國客戶還有望試駕搭載了Ingear的兩擋變速箱的純電動汽車呢。

獨特的變形鏈輪技術(shù)

馨聯(lián)動力

作為中國自主零部件企業(yè)，成立于2013年馨聯(lián)動力歷史并不長，但是卻清醒地認識到數(shù)年來的國家補貼不只是僅僅為了打造出百萬輛新能源汽車市場，更期望建成了從整車、核心零部件到基礎(chǔ)材料的較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈。為此馨聯(lián)動力所設(shè)定的目標是為所有有需求的車企提供更低成本、更高效的優(yōu)質(zhì)變速箱。這其中包括了從混合動力專用變速箱、兩擋減速器到集成化解決方案?，F(xiàn)階段，目前已推出電機+控制器二合一產(chǎn)品，基于電機+兩擋減速器+控制器的純電動乘用車三合一EV3000變速箱總成也在其產(chǎn)品規(guī)劃中。馨聯(lián)動力兩擋減速器已在國內(nèi)某款主流SUV車上測試。

馨聯(lián)動力純電動乘用車三合一EV3000變速箱

馨聯(lián)動力純電動乘用車三合一EV3000變速箱總成爆炸圖

廣汽埃安

作為中國自主新能源車企，剛在廣州車展完成更名的廣汽埃安，同樣有著十分深厚的技術(shù)研發(fā)能力。去年北京車展上，廣汽埃安就重點發(fā)布全球首創(chuàng)高性能兩擋雙電機“四合一”集成電驅(qū)。整套系統(tǒng)實現(xiàn)了雙電機、控制器和兩擋減速器深度集成。能為搭載車輛帶來340kW的強勁動力，綜合驅(qū)動效率達到90%，功率提升13%，體積較原有產(chǎn)品減小30%，重量減輕25%。將應(yīng)用在隨后推出的廣汽埃安系列車輛上。

廣汽埃安兩擋雙電機四合一集成電驅(qū)

廣汽埃安后繼車型將會逐步配置四合一系統(tǒng)

結(jié)語：

看到這里大家應(yīng)該不會在對電動車是否需要齒輪箱產(chǎn)生懷疑了吧。兩擋減速器能令電機保持在高效率工作區(qū)間的作用，已經(jīng)成為插電混動以及純電動車型的發(fā)展潮流，但這并不是技術(shù)發(fā)展的終點，面對降本節(jié)能的目標，相信在接下來的時間里，企業(yè)除了需要進一步攻克產(chǎn)品“減重”課題以外，三擋甚至多擋減速器將會成為下一個爭奪的市場。