适用于电驱的全动力换挡两挡变速箱设计与仿真

这不是电动车的 “天生缺陷”，而是单挡减速器在 “拖后腿”。最近，上海深视企业咨询的雷蔡总工程师分享了一款 “全动力换挡两挡变速箱” 的设计与验证成果 —— 不仅解决了单挡的痛点，还能帮车企降本。今天我们就来好好拆解这份技术方案，看懂电动车传动系统的 “升级密码”。

一、先搞懂：电动车为啥被 “单挡” 卡脖子？

现在市面上 90% 以上的电动车，用的都是 “单挡减速器”—— 简单说，就是电机和车轮之间只有一套固定的传动比，像我们骑自行车只有一个挡位一样。但电动车的 “需求” 很矛盾：

1. 单挡的 “两难困境”

• 低速时要 “劲儿大”

  起步、爬坡需要高传动比（类似自行车的 “低速挡”），才能把电机扭矩放大，让车 “窜得快”；  

• 高速时要 “跑得远”

  车速超过 100km/h 后，需要低传动比（类似自行车的 “高速挡”），不然电机转速会飙升到 “极限”，不仅噪音大、效率低，还会限制最高车速。  

单挡减速器根本做不到 “两头兼顾”：要么为了低速动力选高传动比，结果高速 “憋转速”；要么为了高速选低传动比，结果起步 “软塌塌”。车企只能二选一，或者被迫装更大的电机（比如用峰值功率 300kW 以上的电机），但这又会增加成本和车重，反过来影响续航。

2. 超高速电机：看似是解，实则更难

有人说：“那用超高速电机不就行了？转速越高，高速性能不就越好？” 但雷蔡总工程师的团队指出，超高速电机（比如最近有车企宣布的 “峰值功率 580kW、最高转速 30511rpm、额定电压 1000V” 电机）面临两大核心问题：

• 系统级挑战

  电压升高需要全车绝缘设计升级，高速下效率损耗会加剧，还会带来噪声、振动（NVH）和电磁兼容（EMC）问题，甚至在故障状态下有安全风险；  

• 部件级挑战

  电机的电磁设计、冷却系统要重新开发，转子的材料和结构得升级（不然高速下会 “甩碎”），轴承、齿轮等关键部件的耐久性也很难保证，最终成本会 “飙升”。  

简单说：超高速电机是 “用更复杂的问题解决一个问题”，风险高、不划算。

二、破局方案：这款两挡变速箱，设计巧在哪？

既然单挡不行、超高速电机也不太行，深视咨询的团队就研发了一款 “全新两挡变速箱（2-speed TM）”，核心思路是：用 “行星齿轮组 + 摩擦片离合器 + 单向离合器（OWC）” 的组合，实现 “低速有劲、高速高效” 的切换，还能做到结构紧凑、零件少。

1. 核心结构：3 个关键部件，分工明确

这款两挡变速箱采用 “两级减速” 设计，每个部件的作用都很关键：

举个通俗的例子：就像骑自行车时，行星齿轮组是 “变速飞轮”，摩擦片离合器是 “手闸”（控制换挡时的动力衔接），OWC 是 “防倒转的棘轮”（确保 1 挡时动力不 “反向流失”）。整个结构没有多余零件，体积小、重量轻，适合装在 SUV 等家用车上。

2. 建模细节：把 “换挡过程” 拆成 4 个状态

为了确保变速箱能稳定工作，团队还建立了数学模型，把整个运行过程拆成 4 个关键状态，甚至考虑了空气阻力、滚动阻力等真实路况因素：

为了让模型更贴近真实，团队还设定了 “应用场景”—— 以一款 D 级 SUV 为例（车重 2286kg、迎风面积 2.88㎡、风阻系数 0.3 等），并引用了《工程工具手册》（The Engineering ToolBox）的动态滚动摩擦系数公式，确保每一个参数都有依据。

三、数值模拟：换挡不顿挫？靠的是 “精细控制”

很多人担心：“两挡变速箱会不会像某些燃油车一样，换挡时有‘顿挫感’？” 深视咨询的团队通过 4 组数值模拟，证明只要 “控制策略到位”，换挡质量能做到 “平顺无顿挫”。

我们来看关键的 3 组升挡模拟和 1 组降挡模拟：

1. 案例 1：直线升挡（无控制）—— 问题明显

控制策略：电机扭矩固定 280Nm，摩擦片离合器 “线性闭合”（扭矩随时间均匀增加），换挡起点设定在车速 80km/h。结果：车轮扭矩（Tw）波动很大，换挡冲击明显，“顿挫感” 会让乘客不舒服，属于 “不可接受” 的水平。

这说明：“硬切换” 肯定不行，必须对离合器和电机扭矩进行 “精细调控”。

2. 案例 2：升挡 + 离合器扭矩闭环控制 —— 冲击消失

优化策略：

• 电机扭矩从低到高 “线性增加”，避免动力突然变化；
• 摩擦片离合器采用 “闭环控制”：先逐步增加扭矩（T1 到 T2），再保持稳定，最后根据传动比（i0'）和车轮扭矩（Tw）动态调整。结果：通过 “同步传动比和车轮扭矩”，换挡冲击完全消失，车轮扭矩波动很小，换挡质量达标。

3. 案例 3：升挡 + 进一步优化 —— 波动更小

再优化策略：在案例 2 的基础上，调整离合器扭矩的 “增长曲线”（用幂函数代替线性增长），进一步减缓扭矩变化速度。结果：车轮扭矩波动被压制到 “人体感觉不到” 的程度（波动幅度低于 5%），但代价是换挡时间略有延长（从 0.6 秒变成 0.8 秒）—— 这是 “平顺性” 和 “换挡速度” 的合理平衡。

4. 案例 4：降挡 + 扭矩调控 —— 同样平顺

控制策略：降挡时电机扭矩从 “负扭矩”（类似 “刹车回收”）逐步过渡到 “正扭矩”，摩擦片离合器同样采用闭环控制，根据传动比动态调整扭矩。结果：和升挡一样，降挡时车轮扭矩波动也能控制在 “人体无感” 范围，不会出现 “闯动”。

这 4 组模拟证明：两挡变速箱的 “顿挫问题”，不是结构问题，而是控制问题 —— 只要策略够精细，就能做到 “无感换挡”。

四、竞争力分析：性能、成本双赢，才是真的好

一款技术方案好不好，最终要看 “实车表现” 和 “成本”。深视咨询的团队把 “两挡变速箱车型（车辆 A）” 和 “单挡变速箱车型（车辆 B，传动比 10.86）” 做了全面对比，结果很亮眼。

1. 性能：高速段优势拉满，效率更高

先看关键性能数据（表格已简化，原文数据精确到小数点后两位）：

重点说下 “高速加速” 和 “能耗”：100-200km/h 加速快了 7.25 秒，这意味着在高速超车时，两挡车型的 “安全性” 和 “驾驶信心” 会明显更好；而高速能耗降低 3.66%，对于续航 600km 的电动车来说，相当于多跑 21.96km，续航焦虑会减轻不少。

2. 成本：看似贵了，实则更省

很多人会问：“两挡变速箱比单挡复杂，成本肯定更高吧？” 但深视咨询的团队算了一笔 “全生命周期账”，结果出人意料：

（1）直接成本：BOM + 工艺增加约 186 美元

先看 “增量成本”（基于中国市场经验估算，非供应商实际报价）：

看起来 “多花了 186 美元”，但接下来的 “省下来的钱” 更多。

（2）间接省成本：电池 + 电机小型化，能省 240 + 美元

两挡变速箱的 “高效”，能直接让电池和电机 “变小”：

• 电池省 243 美元

  能耗降低 3%，对于续航 600km、能耗 13.5kWh/100km 的电动车来说，电池容量可以从 81kWh（600×13.5/100）降到 78.57kWh，减少 2.43kWh；按电池单价 100 美元 /kWh 算，能省 243 美元；  

• 电机省更多

  两挡变速箱能 “放大扭矩”，所以电机的 “峰值扭矩” 可以降低（比如从 480Nm 降到 400Nm），电机的体积、重量和成本都会随之降低，具体省多少要看电机方案，但肯定是 “正向收益”；  

• 额外收益

  两挡变速箱的 “空挡” 功能，能在电机故障时保护逆变器和电池，减少维修成本，这部分也是 “隐性省成本”。  

简单算一笔账：186 美元（增量成本）-243 美元（电池省的钱）- 电机省的钱 =净成本降低。也就是说，从 “全车角度” 看，两挡变速箱不仅不贵，还能帮车企 “降本”。

五、待解挑战与未来展望

当然，这款两挡变速箱还不是 “完美的”，团队也坦诚地指出了 “待解决的挑战”，以及对应的解决方案：

1. 两大核心挑战

• 摩擦离合器的 “高摩擦能量”

  换挡时离合器 “打滑” 会产生热量，案例 2 中摩擦能量是 172kJ，案例 3 是 231kJ（为了平顺性牺牲了部分能量），长期使用可能影响离合器寿命；  

• 单向离合器（OWC）的 “高负荷”

  1 挡时 OWC 要承受最高 887Nm 的反作用力矩，2 挡时空转转速最高达 6593rpm，现有工业级 OWC 很难满足 “汽车级” 的耐久性要求。  

2. 解决方案：正在推进中

针对这些问题，团队已经有了明确的方向：

• 离合器方面

  增加摩擦片的数量（提高散热和耐磨性），优化换挡策略（避免 “频繁换挡”，比如短时间内反复升挡、降挡），进一步细化离合器控制逻辑（减少打滑时间）；  

• OWC 方面

  将多个 OWC “组合成集群”（分摊负荷），和供应商合作开发 “汽车级 OWC”（提升扭矩和转速承受能力）；  

• 供应链

  目前已经和多家潜在供应商展开讨论，后续量产时的 “部件可靠性” 和 “成本” 会进一步优化。  

雷蔡总工程师在报告中提到：“首款两挡变速箱原型机的开发已经在推进中，虽然有挑战，但整体方向是明确的 —— 两挡变速箱会成为电动车传动系统的‘最优解之一’。”

六、总结：两挡变速箱，会是电动车的 “下一个标配吗？”

深视咨询的这份技术方案，给电动车传动系统的发展提供了一个 “务实的方向”：

• 它解决了单挡变速箱的 “两难”，避开了超高速电机的 “高风险”；
• 它不仅能提升性能（高速加速、最高车速、爬坡度），还能降低能耗和全生命周期成本；
• 虽然还有挑战，但解决方案清晰，原型机开发也在推进中。

对于消费者来说，未来如果两挡变速箱普及，我们能买到 “起步有劲、高速不肉、续航更长、价格还不贵” 的电动车；对于车企来说，这是一个 “既提升产品力，又控制成本” 的好方案。

最后，你觉得两挡变速箱会成为电动车的 “标配” 吗？如果你的车是电动车，你更在意 “低速推背感” 还是 “高速加速能力”？欢迎在评论区聊聊你的看法～

（注：本文技术数据均来自上海深视企业咨询雷蔡总工程师《适用于电驱的全动力换挡两挡变速箱设计与仿真》报告）

全文完~

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