Ingear是一款誕生于加拿大的創(chuàng)新雙速變速器，旨在突破電動汽車的性能和效率限制。



Ingear 變速器在從低速檔向高速檔換檔的過程中，“關鍵扇區(qū)”從大鏈輪環(huán)、摩斯Hy-Vo靜音鏈條和惰輪機構中滑出。（圖片來源：Inmotive）

長期以來，電動汽車一直為人樂道的優(yōu)點之一，就是擁有極為簡單的動力傳動系統(tǒng)。車輛的牽引電機和主減速器之間只有一對減速齒輪。這種單速設計可以提供尚可接受的性能，但同時最大限度地減少材料清單（BoM）和傳動系統(tǒng)的成本。

然而，電動商用車、電動非公路設備和高性能電動汽車對占空比（duty cycles）的要求越來越高，促進了多速解決方案的發(fā)展。特斯拉曾在 2007 年率先推出首部多速電動傳動系統(tǒng)，但結果并不盡如人意。當時，特斯拉僅是一家初具規(guī)模的初創(chuàng)公司，員工也主要是電子工程師，但這家公司卻開發(fā)了自己的雙速變速器并將其應用至特斯拉的跑車產(chǎn)品。在這種背景下，發(fā)生災難性故障似乎也在意料之中，Elon Musk 隨后也不得不轉而采用了一款由里卡多（Ricardo） 公司設計、博格華納（BorgWarner）公司制造的單速傳動系統(tǒng)。

隨后，保時捷（Porsche）和超跑制造商 Rimac 開始小批量生產(chǎn)雙速電動汽車。寶馬（BMW）也為其 I8 混合動力車搭配了雙速變速器。供應商 ZF 則推出了一款緊湊型雙速變速器。此外，一家在 2010 年成立于加拿大多倫多的供應商Inmotive 也推出了一種改良版的雙速（也可能是三速）電動汽車變速器解決方案。


Inmotive公司首席執(zhí)行官 Paul Bottero （圖片來源：Inmotive）

Inmotive公司首席執(zhí)行官 Paul Bottero 表示：“我們從全球各地的OEM那里得知，他們對電動汽車雙速變速器的需求與日俱增。這種解決方案可提供更長的續(xù)航里程、更強勁的性能特性，還可以通過縮小電池和電機的尺寸來降低成本。”Inmotive 公司表示，目前，一些乘用車和商用車廠商已經(jīng)開始評估 Inmotive 的變速器產(chǎn)品 Ingear。

Ingear的設計概念源自自行車的變速傳動系統(tǒng)，采用了現(xiàn)成的汽車技術和標準的材料和工藝，因此單位成本不到 150 美元。這款產(chǎn)品采用了博格華納摩斯（Morse）倒齒Hy-Vo 靜音鏈條和精密粉末金屬組件，而且摒棄了加壓潤滑系統(tǒng)，轉而采用了飛濺式潤滑設計。

CAE 分析和原型測試表明，與單速變速箱相比，Ingear雙速變速箱結合一些電機優(yōu)化，系統(tǒng)效率可提高 7% 至 12%。據(jù) Inmotive公司 CTO Tony Wong 介紹，Ingear 的加速、爬坡和牽引能力提高了 15%。Inmotive 公司已經(jīng)為一輛起亞 Soul EV 安裝了 Ingear 變速箱，用于技術演示。

Ing
ear 雙速變速器與基準單速電動汽車的Matlab WLTP能耗模擬比較匯總。（圖片來源：Inmotive）

優(yōu)化電機尺寸

作為一位狂熱的自行車愛好者，10 年前，Tony Wong 在上下班的路上萌生了 Ingear 的想法。“我在想，自行車在變速時的扭矩傳遞效率比較低。變速器需要將鏈條推到一邊，通常這個過程會導致鏈條稍微有點錯位。”他解釋說，“所以，如果我們不要移動鏈條，而是移動鏈條里面的齒輪呢？鏈輪之間有足夠的空間；如果我們把鏈輪分割為一段段的“扇形”結構，并設計出一種可以在變速過程中始終保持鏈條與鏈輪齒嚙合的方法呢？”

Wong 將自己的發(fā)明呈現(xiàn)給科技界資深人士 Bottero 并開始一起搜索專利。Ingear 的“秘方”就是他們口中的“關鍵扇區(qū)”鏈輪組件（現(xiàn)已獲得專利），用于控制鏈條與鏈輪之間的嚙合。“很明顯，自行車變速器肯定不能給汽車用，很快就會被碾碎的。”Wong 指出，“如鏈條行業(yè)所說的那樣，就是這些關鍵扇區(qū)使我們能夠始終保證鏈條與鏈輪齒之間的同步，即使是在換檔過程中。”

這些組件使Ingear 可以承受汽車應用的速度和扭矩負載。此外，當時同時獲得專利的還有一個稱為“定序器”的概念，可以在車輛換檔過程中保證關鍵“扇區(qū)”可以率先移動。

為了推動Ingear 技術的商業(yè)化，Bottero、Wong 和另一位同事于 2010 年成立了 Inmotive 公司。“我們在最初五年中致力于工業(yè)應用—破碎機、輸送機和建筑用暖通空調風機等設備。”Bottero 指出，“我們通過這些應用驗證了我們的核心理念和技術。雙速傳動裝置可以在峰值負載下發(fā)揮作用，允許您調整電機的尺寸。”

2015 年，Inmotive 公司的新目標是讓 Ingear 更加強勁耐用，適合于汽車應用。Wong 說，我們從早期迭代的齒帶傳動過渡到 Hy-Vo 鏈條（應用于雪佛蘭 Volt 和大量四輪驅動分動箱），實現(xiàn)了更高的扭矩密度，“具有極高的耐用性和效率”。Bottero 補充道，“市場已經(jīng)成熟，我們一直認為最適合我們的就是電動汽車市場。”


Ingear的差速器處于嵌套狀態(tài)位于齒輪鏈深處。（圖片來源：Inmotive）

鏈輪動力學

常見的大多數(shù)電動汽車采用兩組螺旋形減速齒輪，車輪每轉一圈，電機對應轉動大約9圈。Ingear 用 Hy-Vo鏈傳動和一個“變形”鏈輪取代了第二組減速齒輪（如動畫所示）。每次換檔時，車輪每轉一圈（約 30 毫秒），執(zhí)行器可以控制五個聯(lián)鎖鏈輪“扇區(qū)”配合到位。

Wong 說，不同的扇區(qū)組合可以構成不同的鏈輪尺寸，從而有效地增大或減小傳動比。這些鏈輪“扇區(qū)”可以在硬化鋼銷上自由滑動，類似于注塑設備中使用的鋼銷。當這些扇形塊牢固地鎖定成一個圓時，它們的運行起來就和傳統(tǒng)的整體式鏈輪完全相同。由于采用了專利幾何形狀，Ingear 可以保持電機和車輪速度同步。

在變速過程中，變速器的惰輪（功能類似于撥鏈器惰輪）可以在“扇區(qū)”變形時拉緊松弛的鏈條。“我們的幾何結構經(jīng)過專門設計，這些’扇區(qū)’無論在高檔速和低檔速時都能完美嚙合。”Wong 說，“我們花了很長時間來確定鏈條的路徑，最后終于成功了。”在從低速向高速的換擋過程中，Ingear 可以傳遞連續(xù)扭矩。

Bottero解釋說，“電機轉速下降得很快，因此整個換擋過程相當平穩(wěn)，不易為車內乘客察覺。Wong 的團隊還開發(fā)了扭矩填充算法，以進一步降低換檔對車上人員的影響。此外，換擋過程中消耗的能量越少，電動汽車每次充電后的續(xù)航里程就越長。Inmotive 聲稱，即使在降檔時，Ingear也能持續(xù)進行制動再生，使電機能夠更有效地運轉，將更多的能量用于車輛前進，而不是變成熱量浪費掉。


另一個角度下的 Ingear 2 速變速器。（圖片來源：Inmotive）

“貨車制造商正在討論使用我們的雙速變速箱。”Bottero 說，“貨車必須非常高效。首先，受到里程要求的限制，這種車型不可能配備一個超大的發(fā)動機；其次，它們的負載有很重，如果采用單速變速器又很難爬坡；另外，這些車輛對價格的控制也很嚴格，必須保證最終客戶可以獲得可觀的投資回報。Ingear 可以提高車輛的爬坡能力。我們與卡車和客車制造商進行的分析表明，我們可以通過采用雙速變速器并優(yōu)化電機，提高車輛的提高爬坡能力。具體來說，我們可以讓車輛以合理的速度和較低的傳動比爬上 17% 的坡度。”

新的變速器又帶來了有關傳動比范圍的問題。保時捷 Taycan EV 的雙速行星齒輪采用了短的 15.5:1 低速齒輪以提供最大的加速，長的 8.05:1 的高速齒輪保證最高速度和公路效率。Bottero 和 Wong 表示，Ingear 架構可以進行擴展，從而覆蓋更廣泛的應用。

“我們發(fā)現(xiàn)，大約 2:1 的比例可以顯著提高電機的性能，”Wong 說，“對于更大的卡車和非公路車輛來說，寬闊的檔位分布是必要的，而且總體上應該有更多的檔位。這點 Ingear 完全沒有問題。但是對于乘用車和跑車來說，比率為2:1 意味著當你在高速公路上行駛時，電動機可以以半速旋轉。這是一個巨大的進步。OEM也對我們的提議很滿意。”

Inmotive 公司 CTO Tony Wong 開發(fā)的 Ingear 變速器概念來源于傳統(tǒng)的自行車變速器。（圖片來源：Inmotive）

三速變速器也來了？

正如SAE《汽車工程》報道那樣，電機的發(fā)展趨勢是不斷提高軸轉速。目前，一些新設計的軸轉速可以達到 20,000 rpm 以上。Wong 說，Ingear雙速變速器可以讓這種高速電機在較低轉速下提供更高的效率。

“我們正在洽談中的廠商都很了解電機轉速提高所帶來的挑戰(zhàn)。”Wong 指出，“轉速到 16,000 轉/分以上，向心力就會非常大。此時，空氣隙將受到影響。你必須使用非常結實的軸承。即使是轉子結構也會受到磁場的影響，因此它的機械強度必須足以承受巨大的向心力。渦流損耗會在電機高速運行時產(chǎn)生阻力和大量熱量，減弱磁場也只能部分減少渦流損耗。

“控制電機的轉速不要太快對我們來說好處更大。”Wong 斷言，使用雙速變速器有助于讓電機盡量工作在效率最高的轉速下?；緛碚f，額定轉速 10,000 rpm 的電機，最佳轉速為 4,000 rpm 左右，但如果采用了變速箱，最佳轉速可以適當提高。

Wong 解釋說，“我們必須控制電機的尺寸，使其能夠疏散低轉速工作時產(chǎn)生的熱量，進入’最佳工作轉速’并盡量保持在這個轉速下。雙速變速器可以讓電機下線，轉速更快，從而防止發(fā)生過熱的情況。”

如果電動汽車適合使用雙速變速器，那三速變速器是不是更好？Wong 說，Inmotive 公司的分析表明，三速變速器可以將輕型車輛的效率提高“一個百分點”，而四速變速器幾乎不能提高投資回報率。因此，雙速變速器真的非常實惠。”Bottero 聲稱，在量產(chǎn)條件下，汽車廠商需要為 Ingear 支付每車 150 美元的成本，但卻可以通過調整電池、電機和逆變器的尺寸，為每輛乘用車節(jié)省超過 1,500 美元。Wong 對 Ingear在 2023 年底投產(chǎn)很有信心。