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纯电动汽车两挡减速器的四种技术路线

2021-09-14 09:37:20·  来源：旺材动力总成  
　
目前纯电动车汽车两挡变速器主要有同步器换挡、单离合器结构、双离合器结构、行星齿轮结构四种技术路线。同步器换挡结构精简小巧、技术成熟、传动效率高，但换挡
目前纯电动车汽车两挡变速器主要有同步器换挡、单离合器结构、双离合器结构、行星齿轮结构四种技术路线。

同步器换挡结构精简小巧、技术成熟、传动效率高，但换挡时存在动力中断，目前只有混合动力的宝马 i8 将其应用在前轴纯电驱动系统中，与后轴发动机驱动系统配合使用。

其他三种技术路径可以解决换挡动力中断的问题，其中单离合器结构体积较大、质量较重，适合应用在大型纯电动汽车上面，目前 GKN 公司推出了该类产品，但还未有具体车型使用此技术。双离合器的制造和研发难度较低，在混合动力变速器中应用较多，但是在工作中散热性较差，故障率较高。目前还没有厂家推出纯电动车的双离合结构变速器产品。行星齿轮结构有结构紧凑、抗冲击能力强、传动比大、传动效率高的优点，但是结构复杂、制造和安装也较困难。

目前舍费勒采用此技术，并已应用于长安 CS75 PHEV 和长城 P8 等混动车型上，另外保时捷自主研发的行星齿轮结构变速器也已应用于其纯电动汽车 Taycan 上。综合来看，行星齿轮结构具有其他结构没有的诸多优点，随着技术的发展和大规模量产，其制造难度大和成本高的问题也有望解决，且目前已应用于具体车型上，有望在未来成为技术主流。
表3：不同技术路线的两挡变速器对比
①同步器换挡（AMT)
目前电动汽车的 AMT 变速器都是将变速器、主减速器和差速器进行一体化设计，如图 11 所示，同步器换挡的两挡变速器由输入轴、中间轴、输出轴、差速器、一挡齿轮组、二挡齿轮组、主减速齿轮组和同步器组成。其中输入轴与电机连接，轴上布置一挡和二挡的主动齿轮；中间轴布置一挡和二挡的从动齿轮，以及主减速主动齿轮；主减速从动齿轮与主减速主动齿轮啮合，将中间轴输出的速度进行固定比例的减速；差速器使左右车轮能在汽车拐弯时进行差速行驶；同步器布置于中间轴两从动齿轮之间，有的结构也将同步器布置在输入轴上。通过控制同步器的左右移动让不同挡位的从动齿轮与中间轴同步转速，实现不同挡位的切换，从而使变速器以不同传动比输出动力。
图11：同步器换挡两挡变速器内部结构

目前此种技术较为成熟，国内使用此技术的厂家包括中科深江、江苏金润等，国外的生产厂家有 GKN、格特拉克。最大的缺点就是换挡时存在动力中断。但是同步器换挡的两挡变速器相较于单级减速器的结构仅多出一套齿轮组、一套同步器及其执行机构，从结构的简易程度和成本考虑，为目前两挡变速器的最优方案。
②单离合器结构
单离合器换挡的两挡变速器具有两个分开的离合器，分别控制两个挡位的动力输入。这种两挡变速器由输入轴、中间轴、差速器、一挡齿轮组、二挡齿轮组、两个主减速齿轮组和两个离合器组成，如图 12 所示。
图12：单离合两挡变速器结构示意图
齿轮 1 分别做一挡和二挡的主动齿轮，一挡从动齿轮与中间轴 1 相接，中间轴与离合器 C1 内毂连接，一挡主减速主动齿轮与离合器 C1 外毂连接。二挡从动齿轮与中间轴 2 相接，中间轴 2 与离合器 C1 内毂连接，二挡主减速主动齿轮与离合器 C2 外毂连接。挂一挡时，离合器 C1 接合、C2 分离，实现一挡动力的传输。挂二挡时，离合器 C2 接合、C1 分离，实现二挡动力的传输。采用两个单离合器进行换挡，离合器的分离与接合平顺，可实现无动力中断换挡，整车舒适性更好。但体积较大、质量较重、成本较高，适用于大型电动汽车。
③双离合器结构
双离合器换挡的两挡变速器主要零部件为一个双离合器机构。发动机与双离合器的外毂连接，一挡主动齿轮和外输入轴连接，二挡齿轮和内输入轴连接。一二挡从动齿轮均固定在中间轴上。若汽车的 1 挡运行，此时离合器 C1 处于结合状态，C2处于分离状态。当汽车达到 1 挡升 2 挡的换挡点时，离合器 C1 开始分离，C2 开始结合，直到 C1 完全分离，C2 完全结合，换挡操作结束。同理，若 2 挡降为 1 挡，此时离合器C2 分离，C1 结合。
这种两挡变速器在内外输入轴上分别只有一个挡位，所以没有同步器，结构相对简单，重量较轻。
④行星齿轮结构
其结构主要包括太阳轮、行星轮、行星架、齿圈、离合器和制动器。其中，电机输入轴与行星齿轮机构的太阳轮连接，行星轮与太阳轮啮合并与行星架相接，行星架同输出轴连接。离合器的内毂位于输入轴，外毂与行星架连接；制动器一端连接箱体，一端连接齿圈，用于制动齿圈。当离合器打开，制动器关闭时，电机的动力传递到太阳轮，太阳轮带动行星齿轮的转动，但由于齿圈已被制动器固定，所以行星架被行星齿轮带动旋转，将动力传递到输出轴，此时变速器处于 1 挡。当离合器关闭，制动器打开时，离合器将行星齿轮机构的太阳轮和行星架连接为一个整体，行星轮系整体转动带动输出轴，此时变速器处于 2 挡。传动比为 1，也即 2 挡位直接挡。当离合器打开，制动器关闭时，电机反向旋转，实现整车倒车行驶。

这种技术目前相对成熟，结构紧凑、换挡平顺，舍弗勒的两挡变速器就采用此技术，但加工工艺复杂，成本较高。
图13：双离合两挡变速器结构示意图
图 14：行星齿轮两挡变速器结构示意图
未来是否还会使用三挡或者四挡变速器？
增加变速器的挡位可以使纯电动车拥有更强的爬坡能力、更低的能耗、更远的续航能力， 中长期来看，部分高端纯电动车变速器可能会往三挡或者四挡变速器方向发展。
在《纯电动车用 4DCT&4AMT 技术分析》（郭军敬.纯电动车用 4DCT&4AMT 技术分析[J].汽车制造业.2019(12):34-36.）这篇论文中，对纯电动车用的 4 挡变速器展开了研究。
增加变速器挡位可以提升纯电动车的爬坡能力。图 15 显示，同样的功率下，不同坡度，车速明显不同，而最大爬坡度对应的车速与水平路面对应的车速相差 4 倍左右，四挡变速器通过增加挡位设置，能进一步增加车轮与电机间的转速比，提升电动车爬坡能力。
在爬坡能力或载重能力相同的条件下，相比于单级减速器，使用 4DCT 的纯电动车百公里电耗会可下降 22%～26%，电机功率会下降 35%，如果带电量不变，那么续航能力可提 升 20%以上。
在低速段急加速，4DCT 加速性能优势明显，但到了中途急加速段，4DCT 升入更高挡位，加速性能处于劣势。图 16 反映了某纯电动车搭载不同种类变速器的加速时间对比。从 0加速到 50km/h 和从 0 加速到 80km/h 时，电动车搭载 4 挡变速器所用时间更短。从 0 加速到 100km/h，从 50km/h 到 80km/h，从 50 km/h 到 100km/h，电动车搭载单级减速器所用时间更短，原因是 4 挡减速器在换挡时需要耗费时间。
图15：电动车动力性能在不同坡度下的变化
图 16：单级减速器与四挡 DCT 自动变速器的加速性能对比
 
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