新能源汽車的快速發(fā)展對(duì)變速器行業(yè)帶來(lái)負(fù)面沖擊。由于純電動(dòng)和串聯(lián)式混動(dòng)目前多使用單級(jí)減速器，單價(jià)多在 1000-2000 元之間，遠(yuǎn)低于 AT/DCT 等動(dòng)輒 8000-10000 元的單價(jià)。本報(bào)告則重點(diǎn)論述了未來(lái)純電動(dòng)車變速器多擋化的確定性趨勢(shì)，純電動(dòng)車變速器的單車價(jià)值量有望大幅提升。

1.1 為什么純電動(dòng)車發(fā)展初期普遍使用單級(jí)減速器

1.1.1 為什么傳統(tǒng)燃油車必須使用多擋變速器？

燃油車靠發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)合理轉(zhuǎn)速區(qū)間較窄，因此需要依靠變速器來(lái)擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)輪扭矩和轉(zhuǎn)速的變化范圍，來(lái)滿足各種不同工況的要求，同時(shí)讓車輛具備怠速和倒車的功能。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是依靠油氣混合物爆燃產(chǎn)生的力量推動(dòng)活塞，然后驅(qū)動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行工作的。隨著轉(zhuǎn)速的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)先增加再減少，在中間轉(zhuǎn)速附近達(dá)到最大值，在其他轉(zhuǎn)速范圍下輸出轉(zhuǎn)矩較低；輸出功率也隨著轉(zhuǎn)速的增加而先增后減，但是在某一高轉(zhuǎn)速下達(dá)到最大值，在其他轉(zhuǎn)速范圍下輸出功率較低。這使得發(fā)動(dòng)機(jī)只有在有限的合理轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，才能輸出理想的轉(zhuǎn)矩和功率。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)合理轉(zhuǎn)速范圍較窄，一般在1000-4000rpm 左右。

發(fā)動(dòng)機(jī)上述特性可以用發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線描述。外特性是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能的決定性因素：通過(guò)功率來(lái)衡量車輛獲取最高速度的能力，通過(guò)扭矩來(lái)評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)加速、負(fù)載能力。發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線包括三個(gè)參數(shù)：轉(zhuǎn)速、功率、扭矩。三者存在物理關(guān)系：P=MN/9550。其中 P 為功率（kw）、M 為扭矩（Nm）、N 為轉(zhuǎn)速（rpm）。

圖 1 為途觀 1.4TSI 的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線，其中紅線體現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，當(dāng)轉(zhuǎn)速為 0 至 4500rpm 左右時(shí)，輸出功率隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，當(dāng)轉(zhuǎn)速為 4500rpm 至 6000rpm 時(shí)，輸出功率達(dá)到頂峰，約 110kw，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò) 6000rpm 后，功率逐漸下降；藍(lán)線體現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，當(dāng)轉(zhuǎn)速為 0 至 1500rpm 左右時(shí)，扭矩隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，當(dāng)轉(zhuǎn)速為 1500rpm 至 3500rpm 時(shí)，輸出扭矩達(dá)到頂峰，為 250Nm，轉(zhuǎn)速超過(guò) 3500rpm 后，扭矩則逐漸下降。

多擋變速器的工作原理：多擋變速器種類繁多，但是實(shí)現(xiàn)變速的原理是一樣的。以手動(dòng)多擋變速器為例，介紹一下多擋變速器的工作原理。如圖 2 所示，發(fā)動(dòng)機(jī)輸入軸（綠色）將動(dòng)力傳輸至主動(dòng)軸（紅色），主動(dòng)軸上的紅色齒輪與動(dòng)力輸出軸上的藍(lán)色齒輪相嚙合。通過(guò)換擋叉操縱同步器讓動(dòng)力輸入軸和動(dòng)力輸出軸上不同齒比的齒輪嚙合，改變傳動(dòng)比實(shí)現(xiàn)換擋，并將動(dòng)力傳遞到動(dòng)力輸出軸。

整個(gè)換擋操作可以改變傳動(dòng)比，減小扭矩提高轉(zhuǎn)速，或者增大扭矩減小轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)變速的目的。圖 2 中的變速器一共有五個(gè)前進(jìn)擋和一個(gè)倒擋，每個(gè)擋位都有不同傳動(dòng)比，相當(dāng)于不同的紅色齒輪與藍(lán)色齒輪的嚙合能產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)速，低速行駛時(shí)用低傳動(dòng)比（3 擋及以下），動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速低于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)公式 P=FV，可獲得更大的驅(qū)動(dòng)力，高速行駛時(shí)用高傳動(dòng)比（4 擋及以上），動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速高于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，降低牽引力獲得更高速度。

多擋變速器可以起到以下 3 方面作用：

①改變傳動(dòng)比，擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)輪扭矩和轉(zhuǎn)速的變化范圍，以適應(yīng)不同的行駛條件，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)在有利（功率較高或油耗較低）的工況下工作。發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性為轉(zhuǎn)速過(guò)低則輸出扭矩太小，轉(zhuǎn)速過(guò)高則效率太低，合理轉(zhuǎn)速區(qū)間較窄（一般在 1000-4000rpm 之間），所以燃油車需要通過(guò)變速器來(lái)調(diào)整傳動(dòng)比，擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)輪扭矩和轉(zhuǎn)速的變化范圍（驅(qū)動(dòng)輪是為車輛行駛提供驅(qū)動(dòng)力、輸出功率和扭矩的車輪，輸出由發(fā)動(dòng)機(jī)提供、經(jīng)動(dòng)力傳遞系統(tǒng)傳遞的動(dòng)力），以適應(yīng)不斷變化的行駛條件，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)在有利（功率較高或油耗較低）的工況下工作。

多擋變速器的每個(gè)擋位都有不同的傳動(dòng)比。具體地說(shuō)，擋位越低，傳動(dòng)比越大，牽引力越大，車速越低；擋位越高，傳動(dòng)比越小，牽引力也越小，車速越高。所以當(dāng)汽車啟動(dòng)時(shí)，使用 1 擋，利用高傳動(dòng)比使發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)就能產(chǎn)生較大的牽引力，從而拖動(dòng)汽車起步；此后，通過(guò)踩油門，使車速上升到一定水平后，換入 2 擋，使驅(qū)動(dòng)輪輸出牽引力減小，而車速提升；當(dāng)車速達(dá)到某一更高水平后，可以進(jìn)一步使用更高擋位，汽車牽引力更小，而車速更高，如此類推。這樣就保證了發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)論是低速行駛還是高速行駛都保持在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。

②通過(guò)變速器實(shí)現(xiàn)怠速：雖然發(fā)動(dòng)機(jī)可以通過(guò)熄火切斷動(dòng)力，但實(shí)際中發(fā)動(dòng)機(jī)反復(fù)多次啟動(dòng)會(huì)增加損耗，并且頻繁的啟停比短暫的怠速更耗油，所以還是要依靠變速器實(shí)現(xiàn)駕駛過(guò)程中的動(dòng)力切斷。變速箱掛到空擋位置，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力不再傳遞至車輪，中斷動(dòng)力的同時(shí)也能維持車輛其他部件的正常工作。

③通過(guò)變速器實(shí)現(xiàn)倒車：由于大多數(shù)內(nèi)燃機(jī)無(wú)法反向旋轉(zhuǎn)，因此需要變速器的反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)倒車。如圖 2 所示，當(dāng)汽車掛前進(jìn)擋時(shí)，主動(dòng)軸與動(dòng)力輸出軸上對(duì)應(yīng)的齒輪嚙合，使動(dòng)力輸出軸與主動(dòng)軸反向轉(zhuǎn)動(dòng)，與發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的動(dòng)力輸入軸同向轉(zhuǎn)動(dòng)，使車輛前進(jìn)；而汽車的倒擋則在主動(dòng)軸與動(dòng)力輸出軸對(duì)應(yīng)的齒輪之間增設(shè)了一個(gè)中間齒輪，這使得動(dòng)力輸出軸可以與主動(dòng)軸同向轉(zhuǎn)動(dòng)，與發(fā)動(dòng)機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)倒車。

1.1.2 為什么純電動(dòng)汽車可以不使用多擋變速器？

車輛由于工作特性要求需要?jiǎng)恿υ丛诘退贂r(shí)輸出大扭矩，高速時(shí)輸出恒功率，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)輸出特性無(wú)法與車輛需求直接匹配，需要匹配一個(gè)多擋變速器在不同工況下改變傳動(dòng)比來(lái)滿足車輛不同的車速和扭矩的需求。

但是對(duì)于純電動(dòng)汽車而言，由于電機(jī)具有與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)不同的工作特性，在低速時(shí)能夠輸出大扭矩，高速時(shí)能夠輸出恒功率，具有很寬的合理轉(zhuǎn)速范圍，因此電機(jī)特性基本與車輛需求吻合，電機(jī)自身就自帶變速器的屬性，電動(dòng)車無(wú)需使用多擋變速器。

電機(jī)動(dòng)力輸出特性曲線如圖 3 所示，電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍包括恒扭矩區(qū)域和恒功率區(qū)域，當(dāng)轉(zhuǎn)速在恒扭矩區(qū)域時(shí)，電機(jī)能穩(wěn)定輸出最高扭矩，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在恒功率區(qū)域時(shí)，電機(jī)穩(wěn)定輸出其最大功率。電機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下就可以輸出最大扭矩，滿足啟動(dòng)和爬坡需求，另外其合理轉(zhuǎn)速范圍非常寬，為 0-10000rpm 以上，這使其僅通過(guò)改變轉(zhuǎn)速就能滿足各種行駛情況的需求，且能耗較低。而車輛的動(dòng)力切斷和倒車功能可以通過(guò)改變電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。電機(jī)的這些特點(diǎn)讓電動(dòng)車不采用多擋變速器也可以正常工作。

? 單級(jí)減速器的工作原理：

如圖 4 所示，牽引電機(jī)將高速運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力由 A 傳入減速器，經(jīng)過(guò)一個(gè)固定齒比的齒輪組減速增扭，將動(dòng)力由 B 傳向驅(qū)動(dòng)軸。輸入軸上的齒輪與輸出軸上的齒輪之間設(shè)置了一個(gè)中間齒輪，由此可以減輕由于輸入輸出的速差過(guò)大而給齒輪帶來(lái)的磨損。單級(jí)減速器只有一個(gè)固定齒比，意味著車速與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的比值固定不變。

1.1.3 為什么目前純電動(dòng)車普遍使用單級(jí)減速器？

①單級(jí)減速器的作用在于將電機(jī)的轉(zhuǎn)速降為與車輪適配的轉(zhuǎn)速。車輪轉(zhuǎn)速常用區(qū)間是0rpm（起步）到 1000rpm（車速 100km/h 左右），特別是城市里常有的 50km/h 的車速（對(duì)應(yīng)輪速 500rpm），而電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍很廣，也很高，普遍達(dá)到 7000rpm 到 10000rpm 以上，減速器將電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，并將動(dòng)力傳遞到車輪上，使車輪獲得適用于正常行駛的轉(zhuǎn)速。另外，電動(dòng)車啟動(dòng)時(shí)，單級(jí)減速器擴(kuò)大了輸出軸的扭矩，幫助電動(dòng)車克服靜摩擦力。

②安裝減速器可減速增扭，從而降低對(duì)電機(jī)性能的要求，降低電機(jī)成本，從而提升純電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性價(jià)比。一般電機(jī)本身轉(zhuǎn)速很高，轉(zhuǎn)矩很小，如果電動(dòng)車不安裝變速器，那么需要選用一款大扭矩的電機(jī)以滿足汽車在啟動(dòng)、爬坡時(shí)的大扭矩需求，而汽車絕大部分時(shí)間是在平路行駛，啟動(dòng)和爬坡的時(shí)間比較少，如果采用大扭矩電機(jī)，在一定程度上浪費(fèi)了電機(jī)的性能。變速器可以降速增扭，一款低扭矩的電機(jī)搭配減速器就可以輸出較高扭矩，不需要使用大扭矩高價(jià)格的電機(jī)。在相同的性能要求下，這種帶減速器方案比不帶減速器的方案的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)重量輕且電機(jī)成本大幅降低，提高了純電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體性價(jià)比。

③主機(jī)廠為了節(jié)省變速箱成本，選擇搭配單級(jí)減速器。與傳統(tǒng)燃油車相比，電動(dòng)車的成本結(jié)構(gòu)和燃油車主要差別在電池、電機(jī)、電控三大件上，電池占據(jù)一輛電動(dòng)車 40-50%的成本，電控和電機(jī)占 10%-20%左右的成本，而傳統(tǒng)燃油車動(dòng)力總成系統(tǒng)只占總成本的 15%，其他方面的成本結(jié)構(gòu)與燃油車相差不大，因此電動(dòng)車三大件造成其整體成本高于燃油車，且電動(dòng)車導(dǎo)入期規(guī)模較小規(guī)模經(jīng)濟(jì)性尚未凸顯，因此電動(dòng)車盈利較差，主機(jī)廠面臨較大的成本壓力，相比于單級(jí)減速器，使用兩擋變速器的成本增加約 1000-3000 元，在這種情況下更傾向于使用單級(jí)減速器。④單級(jí)減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有利于提高傳動(dòng)效率，便于整車布置及維護(hù)。單級(jí)減速器只有一組減速齒輪，沒(méi)有換擋結(jié)構(gòu)，這種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)不僅有利于提高傳動(dòng)效率，其體積與質(zhì)量也較多擋變速器小，更便于整車的布置及維護(hù)。而兩擋或多擋變速器增加了換擋裝置，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，傳動(dòng)效率也相對(duì)較低。

⑤電動(dòng)車興起之初，電動(dòng)車多擋變速器的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈還不成熟。相對(duì)于傳統(tǒng)燃油車所用的變速器，雖然電動(dòng)車的多擋變速器擋位更少，但由于要與高速電機(jī)適配，為了保證減速器在高速、無(wú)冷卻、長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)行，對(duì)廠家的設(shè)計(jì)和制造水平要求較高，電動(dòng)車興起之初，專門用于電動(dòng)車的多擋變速器的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈還不成熟。比如，特斯拉 Roadster最初計(jì)劃采用180kW 電機(jī)搭配兩擋變速器，但自行開(kāi)發(fā)的兩擋變速器質(zhì)量存在問(wèn)題，只能采用單級(jí)減速器。

1.2 純電動(dòng)汽車變速器多擋化為確定性趨勢(shì)

隨著電動(dòng)車持續(xù)快速發(fā)展，之前被忽視的單級(jí)減速器的缺點(diǎn)逐漸被重視起來(lái)。在電動(dòng)車興起之初，大多數(shù)主機(jī)廠的首要目標(biāo)更多放在如何提升續(xù)航里程、縮短充電時(shí)間、進(jìn)一步壓縮成本等上面，單級(jí)減速器的缺點(diǎn)被戰(zhàn)略性地忽視了。但是如果電動(dòng)車想要更好地和燃油車競(jìng)爭(zhēng)，各方面性能必須進(jìn)一步完善，包括提升能耗效率、續(xù)航里程、安全性、使用便利性（快充電樁、換電池等），之前不太被關(guān)注的單級(jí)減速器的缺點(diǎn)，逐步會(huì)被重視起來(lái)。

1.2.1 單級(jí)減速器缺點(diǎn)主要有以下 3 點(diǎn)

①單級(jí)減速器無(wú)法兼顧電機(jī)在低速起步和高速行駛兩大工況的高效運(yùn)行，電機(jī)使用效率偏低。如圖 7 所示，藍(lán)色區(qū)域?yàn)殡姍C(jī)的低效率區(qū)域（70%-90%），紅色區(qū)域?yàn)楦咝蕝^(qū)域（90%-93%）。在起步階段，電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，為避免藍(lán)色區(qū)域，需要變速器提高電機(jī)轉(zhuǎn)速到紅色區(qū)域；而在高速行駛階段，電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，為避免藍(lán)色區(qū)域，則需要變速器降低電機(jī)轉(zhuǎn)速到紅色區(qū)域。而單級(jí)減速器無(wú)法兼顧起步和高速行駛兩大工況的高效運(yùn)行。單級(jí)減速器的傳動(dòng)比是固定的，該傳動(dòng)方式工況適應(yīng)性差，不能根據(jù)不同的路況調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間工作在高效率區(qū)域內(nèi)（即圖 7 中紅色區(qū)域），這也是導(dǎo)致純電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程短的重要原因之一。

②動(dòng)力性能方面，高速行駛時(shí)，加速乏力。單級(jí)減速器只有一個(gè)固定齒比，只能依靠電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升來(lái)提高車速，而電機(jī)在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有恒扭矩區(qū)域和恒功率區(qū)域，當(dāng)汽車剛起步時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩最大，且在轉(zhuǎn)速進(jìn)入恒功率區(qū)域前保持不變，此時(shí)加速性能最好。但當(dāng)電動(dòng)汽車高速行駛時(shí)，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入恒功率區(qū)間，扭矩不在最佳輸出區(qū)間，且隨著轉(zhuǎn)速的增加而下降，此時(shí)汽車的加速能力受限。（可參照電機(jī)動(dòng)力輸出特性曲線。）

③單級(jí)減速器方案相對(duì)于兩擋變速器方案對(duì)電機(jī)的要求明顯更高，需要電機(jī)有更高的功率和最高轉(zhuǎn)速。雖然單級(jí)減速器方案可以通過(guò)提高電機(jī)性能（采用大功率大扭矩電機(jī)）來(lái)彌補(bǔ)部分缺陷，但是使用更高功率的電機(jī)會(huì)使電機(jī)成本和能耗上升。比如特斯拉Roadster 最初計(jì)劃采用 180kW 的電機(jī)搭配兩擋變速器，但自行開(kāi)發(fā)的兩擋變速器質(zhì)量存在問(wèn)題，只能采用單級(jí)減速器，為了保持相同的性能，采用了 240KW 的電機(jī)。但是電機(jī)功率的提升，也導(dǎo)致電機(jī)成本、能耗上升，并且對(duì)電機(jī)能耗和再加速能力的改善有限。圖 8 反映了某純電動(dòng)轎車基于相同的駕駛性能目標(biāo)下，不同方案對(duì)于電機(jī)性能的要求。其中，藍(lán)線表示單級(jí)減速器方案的電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)系，最大轉(zhuǎn)速為 11000rpm，最大扭矩為 300Nm。紅線表示多擋變速器的電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速關(guān)系，最大轉(zhuǎn)速僅需 8000rpm，最大扭矩不到 250Nm。單級(jí)減速器方案相對(duì)于兩擋變速器方案對(duì)電機(jī)的要求明顯更高。

1.2.2 使用多擋變速器后在性能層面和成本層面均有優(yōu)勢(shì)

單級(jí)減速器的以上缺點(diǎn)產(chǎn)生的核心原因在于單級(jí)減速器只有一個(gè)固定齒比，只能通過(guò)提高電機(jī)轉(zhuǎn)速使車輛高速運(yùn)行，而轉(zhuǎn)速提高會(huì)導(dǎo)致電機(jī)效率和轉(zhuǎn)矩下降，而如果采用多擋變速器可以有效避免這種問(wèn)題。目前電動(dòng)汽車逐步由目前低端產(chǎn)品向上升級(jí)換代，用戶對(duì)性能、效率和續(xù)航里程的追求以及對(duì)重量和成本的敏感度降低，變速器多擋化應(yīng)該是電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

? 多擋變速器在性能層面、成本層面、舒適性層面均具有一定優(yōu)勢(shì)：①性能層面：多擋變速器可以提升電機(jī)工作效率和汽車的動(dòng)力性能。

多擋變速器可以提升電機(jī)工作效率。根據(jù)論文《多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析》（朱波;李宇航;張農(nóng);王金橋;汪躍中;多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析［J］;汽車工程師;2018（6）：34-37）中的數(shù)據(jù)，當(dāng)汽車中高速運(yùn)行時(shí)，使用單級(jí)減速器的電機(jī)工作效率從 90%-93%隨著車速的提升逐漸下降到 80%以下，而以兩擋行駛則仍然使電機(jī)工作效率維持在 90%以上。如圖9 所示，在 2 條曲線交點(diǎn)（換擋點(diǎn)）的左邊，電動(dòng)汽車以 1 擋行駛將比以 2 擋行駛有更高的電動(dòng)機(jī)效率。同時(shí)，在換擋點(diǎn)的右邊，電動(dòng)汽車以 2 擋行駛將比以 1 擋行駛有更高的電動(dòng)機(jī)效率。因此，為了使電動(dòng)機(jī)獲得最大的運(yùn)行效率，在換擋點(diǎn)的左邊時(shí)汽車應(yīng)以 1 擋行駛，在換擋點(diǎn)的右邊時(shí)汽車應(yīng)以 2 擋行駛。

多擋變速器可以降低對(duì)電機(jī)性能要求，不像單級(jí)減速器要求電機(jī)有較大的儲(chǔ)備功率。多擋變速器能夠維持電動(dòng)機(jī)處于最高效率的工作水平，達(dá)到動(dòng)力輸出的最優(yōu)化，在同樣的輸出要求下兩擋變速器只需匹配更小功率的電機(jī)即可，不需要使用 18000rpm 以上的高性能電機(jī)就能使電動(dòng)車的最大車速達(dá)到 200km/h 甚至是 250km/h。

動(dòng)力性能層面：多擋變速器可以使電動(dòng)車具有更高的最高車速和加速性能。電動(dòng)車為了獲得起步時(shí)較大的扭矩，需要較大的減速比以便把電機(jī)輸出的扭矩放大以驅(qū)動(dòng)汽車，一般單級(jí)減速器的減速比在 8-10 之間，但是較大的減速比同時(shí)意味著最高車速不會(huì)太高。如圖 10 所示，比如采用最高轉(zhuǎn)速 12000rpm 的電機(jī)，減速比為 9.5 的單級(jí)減速器時(shí)，其對(duì)應(yīng)的最高車速約 135km/h。而采用兩擋變速器，其一擋速比可以更高（從 9.5 提升至 14.8），起步時(shí)扭矩更大，加速性能更好；二擋速比 5.05，在車速上來(lái)后，可從一擋切換到二擋，這樣就不需要電機(jī)持續(xù)提高轉(zhuǎn)速來(lái)使車速提高，并且切換到二擋之后可以擁有更高的扭矩，有更高的最高車速及加速性能。

②成本層面：采用兩擋變速器雖然使得變速器的成本提升 1000-3000 元，但是可以使得電機(jī)成本和電池成本下降，并且使百公里用電量降低，用電成本降低，從全生命周期角度來(lái)看，使用兩擋變速器將使得電動(dòng)車全生命周期成本下降。上文詳細(xì)論述了，多擋變速器可以降低對(duì)電機(jī)性能要求，不像單級(jí)減速器要求電機(jī)有較大的儲(chǔ)備功率，只需要配置一個(gè)體積重量更小、功率更低的電機(jī)就可以滿足整車的動(dòng)力性能要求，電機(jī)的成本從而下降。

多擋變速器可以降低電耗，提升電動(dòng)車的續(xù)航能力。當(dāng)續(xù)航里程要求不變的情況下，可降低對(duì)電池容量的要求，降低電池成本。《采用單級(jí)減速器和兩擋變速器的純電動(dòng)轎車性能對(duì)比研究》（作者：一汽技術(shù)中心，劉健康）這篇論文中以某款純電動(dòng)轎車為研究對(duì)象，根據(jù)整車性能指標(biāo)，分別針對(duì)單級(jí)減速器和兩擋變速器方案，對(duì)其動(dòng)力總成參數(shù)進(jìn)行匹配；基于 AVL CRUISE 和 MATLAB/SIMULINK 軟件平臺(tái)，搭建整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真模型和控制策略模型，對(duì)兩種方案的動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)在 NEDC 工況下兩擋變速器方案電耗比單級(jí)減速器方案低 2.8%，WLTC 工況下電耗低 3.1%，US06 工況下電耗低 2.5%。

③舒適性層面：多擋變速器通過(guò)在高車速時(shí)降低電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，改善整車的 NVH（噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度，這是衡量汽車用戶舒適性的指標(biāo)）。

如圖 10 所示，如果采用一擋電橋，車輛時(shí)速達(dá)到 120 公里時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速接近 12000 轉(zhuǎn)，而采用兩擋電橋，車輛時(shí)速達(dá)到 210 公里時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速只有 7600 轉(zhuǎn)，這可以明顯減輕電機(jī)高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的噪音。

1.3 多擋變速器已經(jīng)開(kāi)始商業(yè)化推廣

1.3.1 目前多家廠商競(jìng)相發(fā)布多擋變速器，開(kāi)始在電動(dòng)車上推廣，以兩擋變速器為主

由于電機(jī)的能耗變化沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)那么大，所以不需要如燃油車變速器采用 6-10 個(gè)擋位盡可能地匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的工況。綜合成本與性能考慮，目前電動(dòng)車多擋變速器主要以兩擋變速器為主。隨著電動(dòng)車技術(shù)的發(fā)展，整車和零部件廠商競(jìng)相發(fā)布多擋變速器，開(kāi)始在電動(dòng)車上推廣。吉?jiǎng)P恩、博世、舍佛勒、格特拉克等都已發(fā)布兩擋變速器。2019 年保時(shí)捷首款純電動(dòng)汽車 Taycan 在國(guó)內(nèi)正式銷售，搭載 2 擋變速器。長(zhǎng)安 CS75 PHEV、長(zhǎng)城 P8 等混動(dòng)車型搭載了 2 擋變速器。

1.3.2 純電動(dòng)汽車兩擋減速器的四種技術(shù)路線以及發(fā)展趨勢(shì)

目前純電動(dòng)車汽車兩擋變速器主要有同步器換擋、單離合器結(jié)構(gòu)、雙離合器結(jié)構(gòu)、行星齒輪結(jié)構(gòu)四種技術(shù)路線。

同步器換擋結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)小巧、技術(shù)成熟、傳動(dòng)效率高，但換擋時(shí)存在動(dòng)力中斷，目前只有混合動(dòng)力的寶馬 i8 將其應(yīng)用在前軸純電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，與后軸發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配合使用。其他三種技術(shù)路徑可以解決換擋動(dòng)力中斷的問(wèn)題，其中單離合器結(jié)構(gòu)體積較大、質(zhì)量較重，適合應(yīng)用在大型純電動(dòng)汽車上面，目前 GKN 公司推出了該類產(chǎn)品，但還未有具體車型使用此技術(shù)。雙離合器的制造和研發(fā)難度較低，在混合動(dòng)力變速器中應(yīng)用較多，但是在工作中散熱性較差，故障率較高。目前還沒(méi)有廠家推出純電動(dòng)車的雙離合結(jié)構(gòu)變速器產(chǎn)品。

行星齒輪結(jié)構(gòu)有結(jié)構(gòu)緊湊、抗沖擊能力強(qiáng)、傳動(dòng)比大、傳動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造和安裝也較困難。目前舍費(fèi)勒采用此技術(shù)，并已應(yīng)用于長(zhǎng)安 CS75 PHEV 和長(zhǎng)城 P8 等混動(dòng)車型上，另外保時(shí)捷自主研發(fā)的行星齒輪結(jié)構(gòu)變速器也已應(yīng)用于其純電動(dòng)汽車 Taycan 上。綜合來(lái)看，行星齒輪結(jié)構(gòu)具有其他結(jié)構(gòu)沒(méi)有的諸多優(yōu)點(diǎn)，隨著技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模量產(chǎn)，其制造難度大和成本高的問(wèn)題也有望解決，且目前已應(yīng)用于具體車型上，有望在未來(lái)成為技術(shù)主流。

①同步器換擋（AMT） 目前電動(dòng)汽車的 AMT 變速器都是將變速器、主減速器和差速器進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，如圖 11 所示，同步器換擋的兩擋變速器由輸入軸、中間軸、輸出軸、差速器、一擋齒輪組、二擋齒輪組、主減速齒輪組和同步器組成。其中輸入軸與電機(jī)連接，軸上布置一擋和二擋的主動(dòng)齒輪；中間軸布置一擋和二擋的從動(dòng)齒輪，以及主減速主動(dòng)齒輪；主減速?gòu)膭?dòng)齒輪與主減速主動(dòng)齒輪嚙合，將中間軸輸出的速度進(jìn)行固定比例的減速；差速器使左右車輪能在汽車拐彎時(shí)進(jìn)行差速行駛；同步器布置于中間軸兩從動(dòng)齒輪之間，有的結(jié)構(gòu)也將同步器布置在輸入軸上。通過(guò)控制同步器的左右移動(dòng)讓不同擋位的從動(dòng)齒輪與中間軸同步轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)不同擋位的切換，從而使變速器以不同傳動(dòng)比輸出動(dòng)力。

目前此種技術(shù)較為成熟，國(guó)內(nèi)使用此技術(shù)的廠家包括中科深江、江蘇金潤(rùn)等，國(guó)外的生產(chǎn)廠家有 GKN、格特拉克。最大的缺點(diǎn)就是換擋時(shí)存在動(dòng)力中斷。但是同步器換擋的兩擋變速器相較于單級(jí)減速器的結(jié)構(gòu)僅多出一套齒輪組、一套同步器及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易程度和成本考慮，為目前兩擋變速器的最優(yōu)方案。

②單離合器結(jié)構(gòu)單離合器換擋的兩擋變速器具有兩個(gè)分開(kāi)的離合器，分別控制兩個(gè)擋位的動(dòng)力輸入。這種兩擋變速器由輸入軸、中間軸、差速器、一擋齒輪組、二擋齒輪組、兩個(gè)主減速齒輪組和兩個(gè)離合器組成，如圖 12 所示。齒輪 1 分別做一擋和二擋的主動(dòng)齒輪，一擋從動(dòng)齒輪與中間軸 1 相接，中間軸與離合器 C1 內(nèi)轂連接，一擋主減速主動(dòng)齒輪與離合器 C1 外轂連接。二擋從動(dòng)齒輪與中間軸 2 相接，中間軸 2 與離合器 C1 內(nèi)轂連接，二擋主減速主動(dòng)齒輪與離合器 C2 外轂連接。掛一擋時(shí)，離合器 C1 接合、C2 分離，實(shí)現(xiàn)一擋動(dòng)力的傳輸。掛二擋時(shí)，離合器 C2 接合、C1 分離，實(shí)現(xiàn)二擋動(dòng)力的傳輸。采用兩個(gè)單離合器進(jìn)行換擋，離合器的分離與接合平順，可實(shí)現(xiàn)無(wú)動(dòng)力中斷換擋，整車舒適性更好。但體積較大、質(zhì)量較重、成本較高，適用于大型電動(dòng)汽車。

③雙離合器結(jié)構(gòu)雙離合器換擋的兩擋變速器主要零部件為一個(gè)雙離合器機(jī)構(gòu)。發(fā)動(dòng)機(jī)與雙離合器的外轂連接，一擋主動(dòng)齒輪和外輸入軸連接，二擋齒輪和內(nèi)輸入軸連接。一二擋從動(dòng)齒輪均固定在中間軸上。若汽車的 1 擋運(yùn)行，此時(shí)離合器 C1 處于結(jié)合狀態(tài)，C2處于分離狀態(tài)。當(dāng)汽車達(dá)到 1 擋升 2 擋的換擋點(diǎn)時(shí)，離合器 C1 開(kāi)始分離，C2 開(kāi)始結(jié)合，直到 C1 完全分離，C2 完全結(jié)合，換擋操作結(jié)束。同理，若 2 擋降為 1 擋，此時(shí)離合器C2 分離，C1 結(jié)合。這種兩擋變速器在內(nèi)外輸入軸上分別只有一個(gè)擋位，所以沒(méi)有同步器，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，重量較輕。

④行星齒輪結(jié)構(gòu)其結(jié)構(gòu)主要包括太陽(yáng)輪、行星輪、行星架、齒圈、離合器和制動(dòng)器。其中，電機(jī)輸入軸與行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)輪連接，行星輪與太陽(yáng)輪嚙合并與行星架相接，行星架同輸出軸連接。離合器的內(nèi)轂位于輸入軸，外轂與行星架連接；制動(dòng)器一端連接箱體，一端連接齒圈，用于制動(dòng)齒圈。當(dāng)離合器打開(kāi)，制動(dòng)器關(guān)閉時(shí)，電機(jī)的動(dòng)力傳遞到太陽(yáng)輪，太陽(yáng)輪帶動(dòng)行星齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，但由于齒圈已被制動(dòng)器固定，所以行星架被行星齒輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，將動(dòng)力傳遞到輸出軸，此時(shí)變速器處于 1 擋。當(dāng)離合器關(guān)閉，制動(dòng)器打開(kāi)時(shí)，離合器將行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)輪和行星架連接為一個(gè)整體，行星輪系整體轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)輸出軸，此時(shí)變速器處于 2 擋。傳動(dòng)比為 1，也即 2 擋位直接擋。當(dāng)離合器打開(kāi)，制動(dòng)器關(guān)閉時(shí)，電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)整車倒車行駛。這種技術(shù)目前相對(duì)成熟，結(jié)構(gòu)緊湊、換擋平順，舍弗勒的兩擋變速器就采用此技術(shù)，但加工工藝復(fù)雜，成本較高。

1.3.3 未來(lái)是否還會(huì)使用三擋或者四擋變速器？

增加變速器的擋位可以使純電動(dòng)車擁有更強(qiáng)的爬坡能力、更低的能耗、更遠(yuǎn)的續(xù)航能力， 中長(zhǎng)期來(lái)看，部分高端純電動(dòng)車變速器可能會(huì)往三擋或者四擋變速器方向發(fā)展。

在《純電動(dòng)車用 4DCT&4AMT 技術(shù)分析》（郭軍敬。純電動(dòng)車用 4DCT&4AMT 技術(shù)分析［J］。汽車制造業(yè).2019（12）：34-36.）這篇論文中，對(duì)純電動(dòng)車用的 4 擋變速器展開(kāi)了研究。

增加變速器擋位可以提升純電動(dòng)車的爬坡能力。圖 15 顯示，同樣的功率下，不同坡度，車速明顯不同，而最大爬坡度對(duì)應(yīng)的車速與水平路面對(duì)應(yīng)的車速相差 4 倍左右，四擋變速器通過(guò)增加擋位設(shè)置，能進(jìn)一步增加車輪與電機(jī)間的轉(zhuǎn)速比，提升電動(dòng)車爬坡能力。

在爬坡能力或載重能力相同的條件下，相比于單級(jí)減速器，使用 4DCT 的純電動(dòng)車百公里電耗會(huì)可下降 22%～26%，電機(jī)功率會(huì)下降 35%，如果帶電量不變，那么續(xù)航能力可提 升 20%以上。

在低速段急加速，4DCT 加速性能優(yōu)勢(shì)明顯，但到了中途急加速段，4DCT 升入更高擋位，加速性能處于劣勢(shì)。圖 16 反映了某純電動(dòng)車搭載不同種類變速器的加速時(shí)間對(duì)比。從 0加速到 50km/h 和從 0 加速到 80km/h 時(shí)，電動(dòng)車搭載 4 擋變速器所用時(shí)間更短。從 0 加速到 100km/h，從 50km/h 到 80km/h，從 50 km/h 到 100km/h，電動(dòng)車搭載單級(jí)減速器所用時(shí)間更短，原因是 4 擋減速器在換擋時(shí)需要耗費(fèi)時(shí)間。

審核編輯 ：李倩