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兩擋變速箱在電動汽車上的應(yīng)用
2021-12-23 00:05:05· 來源：驅(qū)動視界
一、傳統(tǒng)燃油車與新能源汽車傳動系統(tǒng)概述相較于傳統(tǒng)燃油車，電動汽車的構(gòu)造有很大的不同。除了不再需要構(gòu)造復(fù)雜的發(fā)動機(jī)以及占據(jù)了大量空間的排氣系統(tǒng)之外，在傳
一、傳統(tǒng)燃油車與新能源汽車傳動系統(tǒng)概述
相較于傳統(tǒng)燃油車，電動汽車的構(gòu)造有很大的不同。
除了不再需要構(gòu)造復(fù)雜的發(fā)動機(jī)以及占據(jù)了大量空間的排氣系統(tǒng)之外，在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車上最為常見的配置之一的多擋變速器似乎也并沒有出現(xiàn)在電動車之上。
目前全球主流純電動汽車均采用電機(jī)匹配單級減速器的架構(gòu)。
不過盡管如此，業(yè)界對于電動汽車是否需要多擋變速器還存有爭議。很多業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，二級變速器才是電動汽車未來的主要趨勢。
傳統(tǒng)變速箱作為協(xié)調(diào)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和車輪實(shí)際行駛速度的變速裝置，用于發(fā)揮發(fā)動機(jī)的最佳性能。
具體來說，由于內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的合理轉(zhuǎn)速區(qū)間較窄（一般在1000-4000rpm左右），轉(zhuǎn)速過低則無法輸出轉(zhuǎn)矩，而一旦發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速過高則會處于一種低效的工作狀態(tài)，所以在行駛時(shí)，燃油車需要通過換擋來調(diào)整減速比，從而使轉(zhuǎn)速保持在合理的工作區(qū)間。
所以對于燃油車而言，沒有變速箱，車輛便無法正常行駛。
電動汽車則有所不同，由于電機(jī)的工作范圍較廣（一般在0-15000rpm）。
在低轉(zhuǎn)速甚至零轉(zhuǎn)速下也可以輸出很大的轉(zhuǎn)矩。也就是說，沒有變速箱，電動汽車也可以照常運(yùn)行。
從結(jié)構(gòu)上來說，單級減速器不需要換擋機(jī)構(gòu)、同步器和離合器，結(jié)構(gòu)相對簡單且容易實(shí)現(xiàn)，因此為車企所廣泛使用。
由于工作特性要求，車輛需求動力源在低速時(shí)輸出大扭矩，高速時(shí)輸出恒功率，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)輸出特性無法與車輛直接匹配，需要匹配一個(gè)多擋變速器滿足車輛需求。
對于純電動汽車而言，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，因此電機(jī)特性能夠基本與車輛需求吻合，無需增加多擋變速器，只需增加一個(gè)單級減速器或者兩擋變速器即可。
單級減速器方案傳動效率高、資源豐富、開發(fā)難度小，基本可以滿足中小型純電動整車要求，目前量產(chǎn)車型大多采用固定速比的減速器，但是單級減速器方案需求電機(jī)扭矩較大、轉(zhuǎn)速較高，無法有效控制電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。
Ricardo transmission
二、特斯拉選擇單擋減速器實(shí)屬無奈之舉
目前，市場銷售的純電動車型大部分都是單檔減速箱，但細(xì)心的朋友會發(fā)現(xiàn)存在那么幾款采用兩檔減速箱的整車。
比如舍弗勒的兩檔電橋的長安CS75/長城P8，搭載的GKN兩檔減速箱寶馬X1/i8，以及特斯拉最初的兩檔減速箱方案。
特斯拉的第一個(gè)車型Roadster的最初設(shè)計(jì)是180kW電機(jī)+2檔變速箱，后來由于變速箱生產(chǎn)質(zhì)量的問題，被迫采用了固定齒比減速器，但為了達(dá)到相同的動力性能，使電機(jī)功率增大到240kW才能達(dá)到相同的性能。
為了配合更大的電機(jī)，電池也需要從60kWh增大到80kWh以提供更大的輸出功率。
特斯拉Model S P85可以輕松贏在起步，但在中后段加速卻頻輸對手。
究其原因，問題就出在特斯拉匹配的單級變速箱上：它使特斯拉始終在一擋上行駛，完成從起步到最高時(shí)速的行駛。
這相當(dāng)于開一輛燃油車，用一擋起步后不換擋，直到轉(zhuǎn)速被拉高至紅線區(qū)，發(fā)動機(jī)不能回到最佳扭矩輸出區(qū)間，再加速能力被大幅削弱。
雖然后期由于戰(zhàn)略或其他原因?qū)е伦罱K方案改變，但這些都無疑充分的證明了兩檔減速箱確實(shí)存在一定優(yōu)勢。
那么它的優(yōu)秀之處又在哪些方面呢，我們慢慢道來。
單級變速箱造成電動機(jī)產(chǎn)生的扭矩輸出一氣呵成，也許不間斷的動力輸出對起步加速有利，但卻不利于車輛的經(jīng)濟(jì)性與舒適性。
尤其是為追求性能采用高轉(zhuǎn)速電動機(jī)的Model S，它配置的高轉(zhuǎn)電動機(jī)功耗較大，并且單級變速箱一擋大齒比，造成車輛巡航狀態(tài)也處于較高的轉(zhuǎn)速臨界點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)性不高。
既然單級減速器已被廣泛使用，那電動汽車為什么要裝二級變速器呢？
原因是，有了變速箱的純電動車，在工作時(shí)會處于更加高效的狀態(tài)。
前面提到，電機(jī)的工作范圍較廣，但相對來說，在中低轉(zhuǎn)速的情況下，電機(jī)的扭矩非常足，工作效率也相對較高。
但在高轉(zhuǎn)速的情況下，電機(jī)的效率和扭矩則會急速的下降。而二級變速器的作用就是使電機(jī)盡量工作在高效率的轉(zhuǎn)速區(qū)間，從而達(dá)到降低損耗、提高續(xù)航里程等效果。
目前大多采用單擋減速方案的原因也主要是因?yàn)殡姍C(jī)的特性與內(nèi)燃機(jī)不同，驅(qū)動電機(jī)一般具有低速恒轉(zhuǎn)矩和高速恒功率的特性，在很低的轉(zhuǎn)速下就能產(chǎn)生很大的扭矩，不像內(nèi)燃機(jī)車需要減速增扭來起步。
三、純電動汽車變速器多擋可行性分析
在純電動車興起之初，由于電機(jī)具有在低速時(shí)能夠輸出大扭矩，高速時(shí)能夠輸出恒功率，及很寬的合理轉(zhuǎn)速范圍的電機(jī)特性，基本與車輛的需求相吻合，所以更多的是匹配單級減速器作為動力總成即可滿足車輛需求。
同時(shí)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，單級減速器的缺點(diǎn)被戰(zhàn)略性地忽視了。
然而采用單擋減速器時(shí)，純電動乘用車的動力性能完全取決于驅(qū)動電機(jī)，對驅(qū)動電機(jī)性能的要求較高，既要求驅(qū)動電機(jī)既能在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)提供較高的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，又能在恒功率區(qū)提供較高的轉(zhuǎn)速,以滿足車輛加速、爬坡與高速行駛的要求。
當(dāng)電動汽車的速度到達(dá)極限之后沒有提升空間，所以的速度受到制約，高速經(jīng)濟(jì)性不高。
同時(shí)，采用單擋減速器不利于高電驅(qū)動總成系統(tǒng)的效率，這是因?yàn)閱我粋鲃颖韧ǔo法同時(shí)兼顧純電動乘用車的動力性和經(jīng)濟(jì)性。
行駛過程中驅(qū)動電機(jī)多數(shù)情況下無法處于高效率工作點(diǎn)，尤其是在最高或最低車速以及低負(fù)荷條件下，驅(qū)動電機(jī)效率一般會降至 60-70%以下，嚴(yán)重浪費(fèi)了車載電能而減少續(xù)駛里程。
但是如果電動車想要更好地和燃油車競爭，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、安全性和使用便利性等，之前不太被關(guān)注的單級減速器的缺點(diǎn)，逐步會被重視起來。
單級減速器主要有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：
①單級減速器無法兼顧電機(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；
②動力性能方面，高速行駛時(shí)，加速乏力；
③單級減速器方案相對于兩擋變速器方案對電機(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。
電動汽車單擋減速器存在的問題
動力性問題：單一速比設(shè)計(jì)，低速起步加速性、高速巡航速度以及爬坡度等性能不能兼顧
經(jīng)濟(jì)性問題：電機(jī)高效工作區(qū)間有限；電池電量有限，高速行駛時(shí)車輛耗電量顯著增大，單一速比導(dǎo)致制動能量回收效果一般
舒適性問題：尤其是車速≥80km/h，動力加速表現(xiàn)薄弱，影響駕駛員主觀感受
安全性問題：高速超車時(shí)，不能有效提升驅(qū)動加速度，行駛安全欠佳；部分減速器缺少傳統(tǒng)燃油車P擋駐車功能
可靠性問題：電機(jī)高轉(zhuǎn)速工作時(shí)，對電機(jī)熱管理、NVH、密封性等有很大挑戰(zhàn)；減速器高速運(yùn)行時(shí)，對齒輪加工工藝、軸承壽命、摩擦磨損潤滑等也提出很高要求
下圖反映了某純電動轎車基于相同的駕駛性能目標(biāo)下，不同方案對于電機(jī)性能的要求。
其中，藍(lán)線表示單級減速器方案的電機(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。
單級減速器方案相對于兩擋變速器方案對電機(jī)的要求明顯更高。
目前電動汽車逐步由低端產(chǎn)品向上升級換代，用戶對性能、效率和續(xù)航里程的追求以及對重量和成本的敏感度降低，變速器多擋化應(yīng)該是電動汽車傳動系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢。
為什么國內(nèi)絕大多數(shù)電動汽車還是匹配單級變速箱呢？并非他們不懂得錦上添花的道理，而是因?yàn)椋?/span>
（1）國外：適配于高速電機(jī)的變速箱生產(chǎn)不出來。典型例子是特斯拉，那個(gè)變速箱供應(yīng)商搞不出來，使特斯拉的車晚出來一年，差點(diǎn)把特斯拉搞死。
（2）國內(nèi)：變速箱供應(yīng)鏈弱、整車廠集成控制能力弱，導(dǎo)致不想用復(fù)雜的變速箱。這不是說廠商們已經(jīng)放棄了提升經(jīng)濟(jì)性，只是現(xiàn)在還無暇顧及。
所以如果能匹配一個(gè)速比范圍合理的多擋變速箱，來優(yōu)化電動機(jī)動力爆發(fā)的時(shí)機(jī)，那將會大幅提升經(jīng)濟(jì)性，其次是持續(xù)加速性能。
四、電動汽車采用兩擋變速器的優(yōu)劣勢分析
4.1 電動汽車兩擋變速器的優(yōu)勢
多擋變速器在動力性能層面、工作效率層面、成本層面、舒適性層面均具有一定優(yōu)勢：
4.1.1 動力性能層面：多擋變速器可以使電動車具有更高的最高車速和加速性能。電動車為了獲得起步時(shí)較大的扭矩，一般單級減速器的減速比在8-14之間，但是較大的減速比同時(shí)意味著最高車速不會太高。
減小百公里加速時(shí)間；提高最高車速；保證最大爬坡度；多擋變速器采用大傳動比可實(shí)現(xiàn)更好的加速性能，采用小傳動比可獲得更高的車速，使得整車性能更優(yōu)秀。
反過來說，若需要滿足同等整車的使用性能，兩擋變速器所匹配的電機(jī)比單級減速器匹配的電機(jī)其性能要求更低，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)小型化。
純電動整車和燃油車動力性評價(jià)指標(biāo)相同，均是從最高車速、爬坡能力和加速性能三個(gè)維度去評價(jià)。
首先我們來看看電機(jī)驅(qū)動整車的兩個(gè)基本方程：
牽引力（Nm）： F=T*i*?/r
車速（m/s）： V=π*n*r/(30*i)
式中，T為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩（Nm），n為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速（r/min），i是減速箱傳動比，?是傳動效率，r是驅(qū)動輪半徑。
從以上方程中可以看出，整車的牽引力和傳動比成正比，車速又和傳動比成反比。
結(jié)合整車的動力性指標(biāo)，從最高車速和加速性能來說，傳動比越小，整車在電機(jī)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速時(shí)，對應(yīng)的最高車速就越高。
但從最高爬坡度來說，當(dāng)電機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩，傳動比越大，整車的爬坡性能（加速）越好。由于這個(gè)矛盾的兩面，所以在單檔純電動的整車中會去折中一個(gè)比較合適的傳動比，從而來保證整車的性能。
但在兩檔減速箱中，設(shè)計(jì)有一大一小兩個(gè)傳動比，在整車起步爬坡等大扭矩需求工況中，采用大傳動比輸出，其大傳動大于單檔減速箱傳動比，所以整車的爬坡（加速）性能將會更優(yōu)。
同時(shí)在電機(jī)高轉(zhuǎn)速工作中，兩檔減速箱使用小傳動比，使得整車的最高車速得以明顯提高。
以上對比是基于單檔減速箱和兩檔減速箱搭配同一款電機(jī)實(shí)現(xiàn)的整車的性能，兩檔更優(yōu)秀。
反過來說，若需要滿足同等整車的使用性能，兩檔減速箱所匹配的電機(jī)比單檔減速箱匹配的電機(jī)其性能要求更低，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)小型化。
4.1.2 工作效率層面：多擋變速器使電機(jī)更好地工作在高效率區(qū)間。假設(shè)整車在某一較高車速工況中，兩擋變速器處于大傳動比，電機(jī)工作在A點(diǎn)，其電機(jī)效率為78%。
但此時(shí)將變速器切換至小傳動比，在保證整車所需牽引力和車速不變的情況下，有可能將電機(jī)的工作點(diǎn)遷移至B點(diǎn)，其效率提升至90%。同理二擋降一擋工作點(diǎn)由C點(diǎn)移至D點(diǎn)，從而提升效率。電機(jī)同發(fā)動機(jī)一樣，同樣存在特有的效率特性，如下圖所示。
這是很多人在提到兩檔減速箱時(shí)給出的最直接的優(yōu)勢，從圖中可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速在基速之前，電機(jī)輸出為恒定轉(zhuǎn)矩，在基速之后，電機(jī)為恒定功率輸出。
由此可見，兩檔減速箱可以通過兩個(gè)檔位傳動比的適當(dāng)切換，盡量使電機(jī)工作在其高效率區(qū)間。
同單檔減速箱相比，確實(shí)可以大大提高電機(jī)的效率，從而更省電，更節(jié)能。也即采用同一款電池，兩檔減速箱可獲得更優(yōu)秀的續(xù)航里程。
兩檔減速箱如此優(yōu)秀，但為什么市場應(yīng)用并不樂觀，因?yàn)槠浯嬖诿黠@的缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜和增加成本。希望后續(xù)兩檔減速箱可以殺出重圍，解決難題，讓消費(fèi)者受益。
4.1.3 成本層面：利用速比調(diào)節(jié)，擴(kuò)大電機(jī)高效區(qū)間，降低電機(jī)工作轉(zhuǎn)速；優(yōu)化換擋策略，增大低速擋速比，利于擴(kuò)展制動能量回饋范圍，增加電池續(xù)航里程
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看，使用兩擋變速器將使得電動車全生命周期成本下降。
4.1.4 舒適性層面：多擋變速器通過在高車速時(shí)降低電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，改善整車的NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度，這是衡量汽車用戶舒適性的指標(biāo)），當(dāng)然，提高舒適性的前提是盡量解決多擋變速器換擋舒適性的技術(shù)難點(diǎn)上。
舒適性提升：全電控操作，一擋起步、高速自動換擋，駕駛平穩(wěn)；高速工況下，巡航、超車、NVH性能有保證。
4.1.5 安全性提升：二擋高速行駛時(shí)，利用降擋加速超車，保證高速下的行駛安全；具有P擋駐車功能，保證靜止?fàn)顟B(tài)下的車輛安全駐車
4.2 電驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢
4.2.1 多擋化：
現(xiàn)有電機(jī)特性很難滿足所有工況下的整車動力性、經(jīng)濟(jì)性需求，搭載多擋變速器可以有效調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出表現(xiàn)。
4.2.2 高速化：
通過提高電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，采用適當(dāng)?shù)淖兯傧到y(tǒng)及控制策略，可以使回饋制動的允許范圍拓寬，從而適應(yīng)更多工況，使整車節(jié)能更加有效，提高續(xù)駛里程。
目前很多主機(jī)廠的驅(qū)動電機(jī)最高轉(zhuǎn)速已達(dá)14000rpm以上，隨著驅(qū)動電機(jī)高速化的發(fā)展，電動汽車變速器的高速化也將成為一種趨勢。
4.2.3 模塊化：
電機(jī)、變速器、控制器集成一體，使整車結(jié)構(gòu)更緊湊、性能更優(yōu)異，便于控制和降低成本。模塊化機(jī)電耦合傳動系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)和管理控制是電動汽車動力傳動系統(tǒng)的發(fā)展方向。
4.3 兩擋變速器的換擋平順性問題
在車輛換擋過程中，變速器輸出軸扭矩的變化并不是連續(xù)的：
a.在處于原擋位階段，車輛的沖擊度取決于電機(jī)輸出扭矩的變化率
b.摘空擋階段，無沖擊
c.同步階段，取決于同步器摩擦力矩
d.掛上目標(biāo)擋位后，車輛沖擊度依然取決于電機(jī)輸出扭矩的變化率。
因此，若要控制車輛的沖擊度在一定范圍內(nèi)，在制定控制策略時(shí)就要考慮，在切斷電機(jī)“供油”（摘擋前）和恢復(fù)電機(jī)“供油”（掛上目標(biāo)擋后）時(shí)要平穩(wěn)，同步時(shí)，控制同步器摩擦力矩變化平穩(wěn)。理論上，要減小換擋沖擊，就要將同步器主被動齒輪速度差控制在一定范圍內(nèi)。
某兩擋箱
如果能達(dá)到速度差為零，是最為理想的情況，不需要同步器也可以實(shí)現(xiàn)無沖擊換擋。但要實(shí)現(xiàn)零速度差，對電機(jī)要求很高，而且也會延長換擋時(shí)間，造成動力中斷的時(shí)間過長。
因此，一般情況下，設(shè)計(jì)控制策略時(shí)，要求同步器主被動齒輪的轉(zhuǎn)速差控制在一定的范圍內(nèi)，只要保證減少換擋沖擊的要求即可，這樣可以縮短換擋時(shí)間，減小車輛動力中斷的時(shí)間。
整車控制策略模型主要包括三大模塊
a.駕駛員需求模塊：主要根據(jù)駕駛員踏板開度等信號計(jì)算駕駛員需求扭矩和需求功率。
b.整車工作模式判斷模塊：根據(jù)駕駛員需求及車輛狀態(tài)等信息判斷車輛工作模式。
c.動力總成扭矩分配模塊：根據(jù)車輛工作模式計(jì)算動力源的輸出扭矩和功率等。
一家名為Kreisel Electric的奧地利公司與Sala Drive合作開發(fā)了一種專門設(shè)計(jì)用于純電驅(qū)動系統(tǒng)的2擋自動變速箱。據(jù)悉，該變速箱已投入生產(chǎn)，可傳遞800馬力和894?！っ椎膭恿?，能夠與雙電機(jī)或單電機(jī)組成動力系統(tǒng)。
據(jù)了解，該公司設(shè)計(jì)的2擋自動變速箱在齒輪同步器的幫助下，能夠在0.25秒內(nèi)完成擋位切換，盡量在擋位切換過程中將頓挫感降到最低。該變速箱內(nèi)部還集成了限滑差速器，可以使車輛在濕滑的道路上，也能擁有不間斷的動力輸出。
4.4 改為兩擋減速器后的電驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)適配性問題
兩擋變速器方案可減小電機(jī)輸出扭矩，降低電機(jī)體積和成本，優(yōu)化電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，但兩擋變速器增加了換擋機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，效率稍低，需重新開發(fā)。
五、兩擋變速器技術(shù)路線
目前純電動車汽車兩擋變速器按其換擋方式可分為同步器換擋、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。
5.1 同步器換擋（AMT)
采用同步器換擋的兩擋變速器其基本結(jié)構(gòu)就是在原AMT的變速器上將擋位降至兩個(gè)即可。
同步器換擋的兩擋變速器由輸入軸、中間軸、一擋齒輪組、二擋齒輪組、同步器、主減速齒輪組和差速器組成。
其中輸入軸與電機(jī)連接，軸上布置一擋和二擋的主動齒輪；中間軸布置一擋和二擋的從動齒輪，以及主減速主動齒輪；主減速從動齒輪與主減速主動齒輪嚙合，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齒輪之間，有的結(jié)構(gòu)也將同步器布置在輸入軸上。
通過控制同步器的左右移動讓不同擋位的從動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比輸出動力。
1-一檔主動齒輪；2-二檔主動齒輪；3-一檔從動齒輪；4-二檔從動齒輪；5-主減主動齒輪；6-主減從動齒輪；7-輸入軸；8-中間軸；9-同步器10-差速器；11-輸出軸
目前此種技術(shù)較為成熟，國內(nèi)使用此技術(shù)的廠家包括中科深江、江蘇金潤等，國外的生產(chǎn)廠家有GKN、格特拉克等。
其最大的缺點(diǎn)就是換擋時(shí)存在動力中斷。
同步器換擋的兩擋變速器相較于單級減速器的結(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)的簡易程度和成本考慮，為目前兩擋變速器的最優(yōu)方案。
5.2 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)單獨(dú)的離合器，分別控制兩個(gè)擋位的動力輸入。
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。
其中一擋主動齒輪固定在輸入軸上，一擋從動齒輪與離合器外轂連接，離合器內(nèi)轂與中間軸連接，通過離合器的分離與接合，實(shí)現(xiàn)一擋動力的傳遞和中斷；二擋主動齒輪與另一個(gè)離合器的外轂連接，離合器的內(nèi)轂與輸入軸連接，二擋從動齒輪固定于中間軸上，同樣是通過離合器的分離與接合，實(shí)現(xiàn)二擋動力的傳遞和中斷。
C1--一檔離合器；C2--二檔離合器；M--驅(qū)動電機(jī)
1,2--一檔齒輪；3,4--一檔主減齒輪；1,5--二檔齒輪；6,7--二檔主減齒輪；
此類兩擋變速器在結(jié)構(gòu)布置上可有所不同，所采用離合器也可為濕式或者干式離合器。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)無動力中斷換擋，整車舒適性更好。但體積較大、質(zhì)量較重、成本較高，適用于大型電動汽車。
5.3 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)。
電機(jī)與雙離合器的外轂連接，一擋主動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開始分離，C2開始結(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，所以沒有同步器，結(jié)構(gòu)相對簡單，重量較輕。
1,2--檔齒輪；3,4--檔齒輪；5,6--主減齒輪；C--雙離合器
5.4 行星齒輪結(jié)構(gòu)
基于行星齒輪結(jié)構(gòu)開發(fā)的兩擋變速器采用離合器和制動器控制擋位切換。根據(jù)行星齒輪結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)不同的傳動比。其布置形式多樣化，離合器和制動器的配合使用方法較多。結(jié)合行星齒輪結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，多用于空間有限和同軸式布置的場景。這種技術(shù)目前相對成熟，結(jié)構(gòu)緊湊、換擋平順。
六、典型兩擋變速器產(chǎn)品的應(yīng)用
6.1 格特拉克2eDT200
格特拉克該產(chǎn)品則是將同步器布置于中間軸一、二擋從動齒輪之間，電機(jī)執(zhí)行換擋。
具備駐車功能，駐車齒輪位于輸入軸，電機(jī)控制駐車。
一擋速比12，二擋速比8.6，總重量小于25kg。
格特拉克兩擋箱
6.2 ZF兩擋電驅(qū)
平行軸式二擋減速器，輸入軸為內(nèi)、外軸嵌套結(jié)構(gòu)，分別對應(yīng)1st, 2nd兩個(gè)擋位，通過平行式濕式雙離合器進(jìn)行擋位切換，離合器通過花鍵傳遞扭矩至兩根輸入軸上，進(jìn)而傳遞至擋位齒，離合器通過CSC執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，根據(jù)CSC執(zhí)行特點(diǎn)，因此需要較大壓力才能推動離合器活塞運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)擋位的切換，離合器通過電液控制方式實(shí)現(xiàn)潤滑和冷卻，通俗點(diǎn)講就是電子泵泵油潤滑、冷卻，外接油冷器，帶走離合器滑磨中的大量熱量。
6.3 GKN兩擋變速器
GKN曾提出過一款單離合器換擋的兩擋變速器，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且軸向長度較長，后期并未在市場上見到該產(chǎn)品的應(yīng)用。
GKN提出的兩擋變速器的同步器布置在輸入軸上，主減的主動齒輪位于中間軸上的一、二擋從動齒輪之間，可以有效地減小變速器的軸向長度。
一擋速比11.3，二擋速比5.9，總重量小于20kg。
GKN兩擋箱，用于BMW i8
GKN兩擋箱
GKN兩擋箱實(shí)拍照片
6.4 Oerlikon兩擋系統(tǒng)
Oerlikon也在行星齒輪的結(jié)構(gòu)上，開發(fā)了一款兩擋混動后驅(qū)電橋H-RAM(hybrid rear axle module),主要應(yīng)用于高性能汽車。
整個(gè)電驅(qū)動總成布置在后橋上，輸入端聯(lián)軸器與發(fā)動機(jī)輸出端連接，電機(jī)與后橋同軸布置，作為P3結(jié)構(gòu)介入動力實(shí)現(xiàn)混動。
通過改型，可取消發(fā)動機(jī)輸入，單獨(dú)作為后橋驅(qū)動。
電機(jī)通過行星齒輪結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)擋位，核心換擋元件為一狗牙離合器。
電機(jī)連接太陽輪輸入，齒圈固定，當(dāng)以行星架輸出為一擋，傳動比為11.9，當(dāng)以大太陽輪輸出為二擋，傳動比為4.58。
6.5 FEV兩擋電驅(qū)
FEV公司的這一款動力總成由電機(jī)、電機(jī)控制器和減速器高度集成，具有兩個(gè)前進(jìn)擋位，1擋的傳動比為12.3，2擋的傳動比為8.48。
動力總成的換擋元件為兩個(gè)離合器，采用液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制其結(jié)合與分離。
兩擋減速器的核心是一套拉維娜式行星齒輪組，以及2組制動器和一個(gè)單向離合器。
從結(jié)構(gòu)簡圖上可以看到，電機(jī)轉(zhuǎn)子從小太陽輪輸入動力，B1制動器用于鎖止行星架，同時(shí)制動器B2用于鎖止大太陽輪，齒圈輸出動力，再通過減速齒輪和差速器等傳遞到車輪。
控制制動器B1和B2的打開和結(jié)合，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)擋位的切換。
6.6 舍弗勒兩擋變速器
舍弗勒兩擋電驅(qū)動橋采用緊湊的行星齒輪、定軸齒輪組、將差速器與轉(zhuǎn)子軸平行布置，轉(zhuǎn)子軸與差速器輸出軸的中心距僅為127mm，緊湊的組合讓舍弗勒兩擋電驅(qū)動橋的體積更小，更適合SUV車型有限的后軸安裝空間。
目前已應(yīng)用于國內(nèi)長安CS75和長城P8兩款車型。
但其加工工藝復(fù)雜，成本較高。
Schaeffler兩擋行星齒輪變速箱
搭載舍弗勒兩擋減速箱的WEY P8
舍弗勒兩擋減速器與單擋箱對比圖
舍弗勒兩擋減速器與單擋箱效率對比圖
舍弗勒兩擋減速器和西門子電機(jī)
舍弗勒兩擋減速器行星排部分
七、兩擋變速器未來趨勢展望
兩擋變速器方案能夠降低對電機(jī)的需求，降低電機(jī)開發(fā)難度，改善整車經(jīng)濟(jì)性，但目前兩擋變速器資源較少、不成熟、成本較高，因此目前絕大部分EV車型均搭載單級減速器。
其結(jié)構(gòu)簡單的AMT兩擋變速器多為企業(yè)或高校在研究開發(fā)中，暫時(shí)并未投入市場。
結(jié)構(gòu)復(fù)雜的離合器和行星排等原理的兩擋變速器更多的是在面向高端市場，旨在提升性能，其成本為次要因素。
在成本和換擋性能未能取得較大進(jìn)展之前，兩擋變速器難以有較大發(fā)展。
但是，隨著電動汽車逐步由目前低端產(chǎn)品向上升級換代，用戶對性能、效率和續(xù)航里程的追求以及對重量和成本的敏感度降低，變速器多擋化應(yīng)該是電動汽車傳動系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢。
兩擋變速器方案經(jīng)濟(jì)性較好，主要是其變速器換擋能夠調(diào)節(jié)電機(jī)工作點(diǎn)，使電機(jī)盡可能工作在高效率區(qū)間。
如果兩擋變速器效率能夠進(jìn)一步提高，批量生產(chǎn)以后成本進(jìn)一步降低，將會迎來更大規(guī)模的應(yīng)用。
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