传统车变速器及新能源变速箱技术
一、汽车变速器的重要性
汽车变速器的重要性在于它是汽车上不可或缺的一个核心总成。
汽车的行驶工况非常复杂，普通汽车的在高速公路上行驶车速超过160km/h，而在低速蠕动路况时，车速不足5km/h，最低车速和最高车速之间的跨度超过30倍，急加速时需要的驱动力超过2.5倍GVW，在平直路面匀速行驶的车辆所需驱动力约为0.15倍GVW，最大驱动力和维持车速所需驱动力之间的跨度超过16倍。
▲汽车行驶工况复杂多变
现有汽车发动机，无论是应用最广泛的内燃机还是电动汽车采用的驱动电机均不能满足仅仅采用单个减速比就能满足汽车如此复杂多变的动力需求，具有多个速比的汽车变速器可以做到在宽广的车速范围内，实现从发动机动力向汽车驱动力的最优转换，获得在车速、爬坡性能、加速性能以及能耗经济性之间综合性能最佳。从这个角度来讲，汽车变速器是汽车动力总成不可或缺的核心部件。
汽车变速器，特别是自动变速器，是机电液控一体化的集大成者，是多学科多领域技术集成的成果结晶，行业普遍认为自动变速器是汽车上技术含量最高、最复杂的产品，汽车变速器还是高技术水平和工艺水平的大批量生产的产品，是高技术、高价值的产品。
二、汽车变速器分类
汽车变速器开发的重要任务是改善动力性能，提高驾乘舒适性和方便使用，提高可靠性和使用寿命，降低重量和减小安装空间，提升效率水平，降低成本，以及最重要的是降低能耗和污染物排放。乘用车和商用车的市场以及市场运行机制不同， 因此对这些要求的侧重点亦不同。
对于乘用车，个性化设计的趋势已经导致许多车辆等级的分化，通过采用个体化解决方案和具有竞争力的新概念，导致了变速器设计的多样性：手动变速器( MT）、机械式自动变速器（AMT）、双离合变速器（DCT）、传统式自动变速器( AT）、无级变速器（CVT）和混合动力车用变速器、电动汽车用变速器。1990年前的“黑与白”——手动变速器与自动变速器两分天下的局面已不复存在。
对于商用车变速器，具有6~16个档，或采用单段式设计，或采用多段式设计的齿轮传动变速器成为车辆的标准配置。在重型货车领域，AMT在欧洲已经获得成功，它们经历了从半自动到全自动的发展历程。
1、手动变速器
手动变速器，俗称手动挡，即需要驾驶员脚踩离合、手拨动变速杆才能改变传动比完成换挡的变速器，因电控机械变速器（AMT）是基于手动变速器（MT）增加自动离合器系统和自动选换挡系统升级而来，故本文中将电控机械变速器（AMT）也归类于手动变速器。
（1）手动变速器（MT: Manual Transmission）
手动变速器采用多个齿比不同的齿轮组，通过同步器选择传动路径，从而获得多个不同的变速比。其优势在于：结构简单，维修成本较低，传动效率高，燃油经济性好，相对省油，富有驾驶乐趣。其劣势在于：换挡操作繁琐，对于驾驶员的技术要求比较高，另外，城市道路越来越拥堵，加上红绿灯又多，需要频繁的启停，在拥堵的城市里需要频繁地踩离合、换挡，驾驶员容易疲劳。
▲典型手动变速器布置图
（2）序列式变速箱（SMG: Sequential Manual Gearbox）
序列式变速箱是只能按顺序加挡或减挡的手动变速器，它最大的特点就是换挡只能进行顺序或者倒序逐一加减挡而不能跳挡。其具有结构简单、空间占比小、重量轻、换挡快、传递效率高的优点，非常符合赛车追求动力极致的需求，故因这些优点为赛车所用，不过虽然用到赛车上但不代表其各方面都比普通变速箱优秀，比如耐用性和平顺性。另外因其结构简单、换挡动作简单、传动效率高，在摩托车上也普遍采用到序列式变速箱，通过脚踩换挡操纵杆即可进行换挡。
▲序列式变速箱结构
▲摩托车用序列式变速箱结构
（3）电控机械变速器（AMT: Automatic Mechanical Transmission）
电控机械变速器是自动化的手动变速器，电控机械变速器是给手动变速器配备了电控液动（或电控电动）的离合器操纵系统和电控液动（或电控电动）的选换挡系统，以达到代替驾驶员完成繁琐的换挡操作动作的目的。
其优势在于：性价比高、操作简单、燃油经济性好。
其劣势在于：顿挫感强、舒适性差、换挡速度慢。
▲电控机械变速器（电控液动）
2、自动变速器
自动变速器是指能够自动根据汽车车速和驾驶员油门深度进行自动选换合适挡位的汽车变速器，无需驾驶员操纵换挡杆进行换挡的汽车变速器都应该归类于自动变速器，常见的自动变速器包括：液力自动变速（AT: Automatic Transmission）、双离合变速器（DCT: Dual Clutch Transmission；DSG: Direct Shift Gearbox；PDK: Porsche Doppelkupplung）、无级变速器（CVT: Continuously Variable Transmission）。
（1）液力自动变速箱（AT: Automatic Transmission）
因液力自动变速器（AT）是最“古老”的自动变速器，故我们提到自动变速器通常指液力自动变速器，由液力变矩器、行星齿轮系统和液压系统、电控系统组成，通过液力变矩器和行星齿轮组合的方式来达到变速变矩。
其优势在于：自动换挡减轻驾驶员负担，承载能力强，市场上技术最成熟的自动变速箱，可靠性高。
其劣势在于：结构复杂，制造成本高，维修技术要求高，维护保养成本较高，传动效率较低。
▲液力自动变速器（AT: Automatic Transmission）
（2）双离合变速器（DCT、DSG、PDK）
双离合变速器(DCT：Dual Clutch Transmission)有别于一般的自动变速器系统，它采用两个输入离合器输入动力，奇数挡位与一个输入离合器联结，偶数挡位与另一个输入离合器联结，实质上相当于将两套AMT布置在一起，当奇数挡位输入离合器联结传递动力时，偶数挡位离合器断开联结，可实现挡位预选，当达到换挡条件时：奇数挡位输入离合器传递扭矩减小的同时偶数挡位输入离合器逐渐接合输入扭矩逐渐增大直至奇数挡位输入离合器完全断开联结不传递扭矩。同理，当偶数挡位输入离合器联结传递动力时，奇数挡位齿轮组也可实现挡位预选，达到换挡条件时，偶数挡位输入离合器逐渐减小传递的扭矩，奇数挡位输入离合器逐渐增大传递扭矩。故，双离合变速器不仅有非常高的传动效率，还能提供无间断的动力输出，并且拥有无可匹敌的快速换挡能力。
基于DCT(Dual Clutch Transmission)技术的各公司不同双离合变速器：
大众：DSG (Direct Shift Gearbox)；
保时捷：PDK (Porsche Doppel Kupplung)；
奥迪：S Tronic；
宝马：M DKG (M-Doppel Kuppling Getriebe)或M DCT (M-Dual Clutch Transmission)；
福特：Power Shift；
三菱：TC-SST(Twin Clutch-Super Sport Transmission)；
日产：GR6(Rear Gearbox 6 Speed)。
其优势在于：自动换挡减轻驾驶员负担，换挡速度快，传动效率高，换挡过程中可以无动力中断，齿轮、同步器等可沿用MT成熟技术。
其劣势在于：结构相对复杂，对变速箱控制要求较高，换挡过程可能产生较强顿挫感。
▲双离合变速器（DCT: Dual Clutch Transmission）
（3）无级变速器（CVT: Continuously Variable Transmission）
常见的无级变速器（CVT: Continuously Variable Transmission）采用可以改变工作半径的两个锥盘组和一条传动带完成速比的变化，速比可连续变化，没有其它变速器换挡时不可避免地会产生换挡冲击，换挡过程如丝般顺滑，完全没有“顿”的感觉。另外，还有超环面摩擦式无级变速器、带有功率分流的液压式无级变速器等不太常见的无级变速器。
其优势在于：换挡过程平顺，动力持续而顺畅。
其劣势在于：动力响应稍慢，缺少驾驶乐趣，能够承受的最大扭矩偏小，不适合大扭矩发动机。
▲一种无极变速器内部结构
▲装配无极变速器的斯巴鲁动力总成
3、混合动力变速箱
本书另有论述，本文不再赘述。
4、电动车用变速器
电动汽车的传动系统大多采用固定齿比减速器（单挡变速器），单挡变速器结构简单、成本低，开发难度低，一般采用两级齿轮减速，在第二级输出齿轮集成差速器，从特斯拉Model S 到奇瑞小蚂蚁都采用这种结构。
特斯拉在电动车行业内的标杆作用影响了在它之后的所有厂商。如业内人所知，特斯拉的初衷并不是一挡，而是采用两挡变速器。然而由于各种原因，这款两挡变速器没能成行，这个“不幸”直接对电动车变速器的历史造成了深远的影响，以至于今天仍是一挡的世界。
电动汽车为什么需要两挡甚至多挡变速器？
理由有三点：
最为明显的一点是动力性能的提升，采用多挡位变速器后，低速挡的减速比可以做得更大，高速挡的减速器比可以更小，更大的减速比使得车辆在急加速时可以获得更大的驱动力，加速更快，爬坡时爬坡能力更强，还有更小的减速比满足车辆在高速工况行驶时获得更高的极限车速。
其次是效率的提升，采用具有多个速比的多挡位变速器后，可以使得驱动电机有更多几率运转在更高效的区域，从而提升驱动系统效率。
最后，也是更为重要的一点是，当采用了多个挡位后，驱动电机可以更加小型化、低速化，从而降低电机以及逆变器的成本。同时，由于电机的转速的下降了，可以采用一般要求的轴承、齿轮等部件来代替需要满足高转速的轴承、齿轮等部件，从而进一步降低成本。总的来说，两挡变速器所带来的优势体现在动力性、效率以及成本上。
电动车用多挡位变速器已是必然趋势。可以发现已经有不少车型搭载了两挡电驱系统，例如舍弗勒、吉凯恩等公司都已有多款产品搭载在欧洲和中国的车型里。除此之外，采埃孚、FEV、Kreisel Electric等许多公司也正研发两挡变速器，产品也陆续公布出来，据悉，易巴科技正在研发具有三个速比的电动车用变速器。
▲应用最广泛的两级齿轮减速单速比变速器
（1）吉凯恩 SynchroShift
宝马的 i8 在业内有举足轻重的地位，凭借这款车型和宝马 i3，宝马在混合动力领域走到了德国三大汽车的最前列。
宝马i8 融合了众多汽车业界最新的技术，其中一项就是使用了两挡电轴。宝马i8前轴为电动驱动轴，安装有一台 96 千瓦的电动机，连接着吉凯恩的两挡变速器，即名为SynchroShift的变速器，吉凯恩公司称其为全球第一款两挡变速器。
▲吉凯恩SynchroShift两挡变速器结构
吉凯恩的这款两挡变速器结构很简单，它采用了AMT的结构。两组齿轮分别实现第一和第二挡。同步器安置在了两组齿轮之间，由一台小型换挡电机负责推动。SynchroShift变速器的各项数据如下：
传动比：11.3（第一挡）、5.85（第二挡）
最高输入扭矩：250 牛米
最高输入转速：11400 转/分钟
质量（含油）：27 千克
（2）舍弗勒两挡平行轴式电驱动桥
舍弗勒两挡平行轴式电驱动桥采用了模块化的设计原则，主要由水冷永磁同步电机、减速齿轮组、差速器和换挡执行机构组成。它的差速器被平行于转子轴布置，所以被称为“平行轴式电驱动桥”。
平行轴式结构的好处显而易见，电驱动桥的整体设计极为紧凑, 其中，行星齿轮排与定轴齿轮传动装置的组合，使得转子轴与差速器输出轴的中心距仅为127.5mm，不仅非常适合SUV车型有限的后轴安装空间，而且集成到新的平台或新的车型上时，可以大大减少对底盘的影响，同时有助于增加离地间隙并提高布置的灵活性。
▲舍弗勒两档变速器（电驱动桥）
（3）吉凯恩eTwinster、eTwinsterX
第一代eTwinster
2016年时，吉凯恩对外公布了它的第一款电轴，作为吉凯恩的第一款电轴，它的结构简单却有独特的亮点。电机的扭矩通过第一级齿轮组向上传递到平行轴上，通过第二级齿轮组向下又回到了与电机同轴的差速器上（总传动比 10.008），从这里再传递到左右两个半轴上。通过这个“一上一下”的结构，电轴的输入（电机）及输出端（差速器、左右半轴）都同轴。
同轴布置带来的好处是更小的尺寸，电轴的安装空间需求更低。
▲吉凯恩第一代电轴
第二代eTwinster
吉凯恩的第二个电轴可以说是第一代的翻版。但仔细看的话，你能发现之前第一代中的 EDD 装置和差速器都不见了，取而代之的是两个湿式离合器。这个就是吉凯恩的 “Twinster” 四驱双湿式离合器系统，在这里用在了电轴上，所以加了一个字母 “e”，取名叫做 “eTwinster”。
▲吉凯恩第二代电轴 eTwinster
用两个湿式离合器取代差速器后，左右车轮的扭矩能够自由的分配。例如在弯道中，车辆可以将更多的扭矩传递到弯道外侧的轮子上去，从而提高车辆的过弯性能。这样的扭矩分配系统被称为矢量扭矩分配系统（Torque Vectoring）。
总结来说，第二代电轴保留了第一代的“一上一下”同轴结构，同时用两个离合器实现了矢量扭矩分配。同时，由于有了两个离合器，当车速升高导致电机转速逼近最高转速时时，两个离合器打开，电机就与车轮分开了，从而实现了第一代电轴里 EDD 装置的功能。从这个角度来看，这个双离合器系统是一举两得。
第三代eTwinsterX
在第二代电轴的基础上，吉凯恩终于为电轴配备了第二个挡位。eTwinster 终于进化成了 eTwinsterX。到了这一步，这个 eTwinsterX 电轴含括了之前提到的所有功能：同轴的布置、矢量扭矩分配、两个挡位。
▲吉凯恩第三代电轴 eTwinsterX 结构截面图
吉凯恩在两个挡位的实现上也走了不寻常的道路。eTwinsterX 内安装了一个不常见的行星齿轮组，它由两个太阳轮（图31中S1及S2）和一个行星齿轮架组成，没有齿圈。
▲吉凯恩第三代电轴 eTwinsterX 原理图
（4）保时捷Taycan 的两档变速器
保时捷Taycan 里的各项新技术让人羡慕和眼馋，在 Taycan 众多的新技术里，很扎眼的一个就是两挡变速器。为什么说扎眼？在过去的26年里，保时捷没有自己开发过变速器，26年的无聊后，保时捷完成了当时特斯拉做砸了的事：电动车用两挡变速器。
电动车从单速比减速器到多挡位变速器，我们前面讲过，可以归结于三点：动力性增强、效率的提升、驱动电机小型化和低速化，我们分别看看这款变速器的情况：第二点效率上，两挡对 Taycan 驱动系统的效率提升几乎没有帮助。第三点电机小型化上，Taycan 的后轴（两挡变速器所在轴）采用了 335千瓦、550牛米和 16,000转速的电机，显然没有走小型化和低速化的路线。保时捷真正的追求在于第一点，“动力性增强”上。利用第一挡的较大减速比，Taycan 在百公里加速上达到了 2.61 秒，比特斯拉 Model S 稍快。
▲保时捷Taycan两挡变速器原理图
▲保时捷Taycan两挡变速器
保时捷高调采用两挡电动车用变速器，让我想起了 2003 年大众引入双离合变速器，在之后的几年内，双离合变速器成为了市场的主流产品。随着保时捷 Taycan 的发布，电动车两挡终于被提上了日程。保时捷品牌的号召力会极大地推进两挡变速器的发展。电动车用两挡变速器甚至多挡变速器必然是发展的趋势和方向，这一点，行业内似乎更加明确了。
表1 汽车变速器分类