究竟为啥大多数电动汽车都没有变速箱?真的不需要吗?
传统汽车发动机是内燃机,内燃机的特性决定了它有一个最佳转速区间,在这个转速区间内燃油燃烧最充分,也就是说这个区间内发动机的力量最大,也更省油。但是这个转速区间比较小,无法满足汽车行驶时的各种路况,所以就需要根据路况实时改变发动机和车轮之间的齿轮比来保证无论车轮转速多少发动机的转速始终保持在一个固定范围内,也就是那个最佳转速区间,改变齿轮比的装置就是变速箱。所以说,燃油车是一定要有变速箱的。
再说电动汽车,电动汽车是靠电机直接驱动的,而电机不存在最佳转速区间这个概念,它在任何转速状态下都可以发挥高效率。常规电机的转速范围一般是1到3000转,完全可以满足任何路况的车速,所以,理论上讲电动汽车是不需要变速箱的,但有的车型需要将电机转速降低而增加扭矩,这种情况下就要增加一个单级减速箱。
目前大多数电动汽车并没有变速箱存在,只有一个单速的减速箱。包括特斯拉也是如此,但是并不代表电动汽车并不需要变速箱。凭借着电动机恒转矩与恒功率的特性,乘用车不需要变速箱也可以做到与燃油车等同的性能。
电动机的特性就是低转速高转矩。
上图是驱动电机转速、扭矩、输出功率的特性图,电动机在额定功率之前工作时,其扭矩是保持不变的,与转速没有直接关系,电机工作在恒转矩区域。这期间电机的扭矩与电流有直接关系,通过调节电机工作电压可以控制速度。通过调节供电电流可以控制电机扭矩,因此低电压低速时电机也可以输出高扭矩,只要调节控制电流就控制电机扭矩。随着电机转速增加,电机的扭矩反而下降,进入恒功率区间。这是电机的物理特性决定的,转速增加扭矩下降,转矩×扭矩=功率。因此达到额定功率时电动机转速持续增加而扭矩会持续下降电机保持在恒定功率状态下。
这种情况下,只要电动机功率足够大,那么完全可以不用变速箱来驱动汽车
例如某驱动电机最大功率135kw,最大扭矩为315Nm。最高转速18000rpm,从参数来看,315Nm完全可以取代内燃机,某些2.0T发动机最大扭矩仅为320Nm,因此这样的电机完全可以代替发动机驱动车辆行驶。这种情况下只需要配备一个单速减速箱即可,虽然电动机最大扭矩可以达到315Nm,但是仍然不能直接驱动车轮,需要一个减速箱降速来放大扭矩。
上图是
特斯拉P85电动机性能曲线图(与911对比),可以看出来电动机最高转速达到1600转/分,0-6000转的扭矩为600Nm。尽管有着如此高的扭矩,电动机也是不能直接驱动车轮的,还需要减速箱降速来提升扭矩。特斯拉减速箱速比与主减速叠加后,最终传动比为9.73,而电动机扭矩则放大了9.73倍,整体输出扭矩已经接近6000Nm了。因此零百加速成绩优秀,电机转速拉到8000转/分时,车速可以达到110km/h左右。这就是电动机的优点,利用其高转速的特点特点可以提高传动比来提高驱动能力。
放在内燃机上,单速变速箱几乎是不能用的。
特斯拉的传动比要比燃油车一档还要高,燃油车如果用着变速箱 那么只能满足起步需求。而发动机最高转速比起电机低很多,如果跑到110km/h,那么发动机转速已经上升到8000转/这是非常恐怖的,巨大的震动/噪音/油耗是不能接受的,况且发动机红线转速不可以维持太长时间的。而放在电动汽车上,起步问题解决后 ,极速更容易解决了!那就是粗暴的把转速拉高就可以做到了!例如转速直接拉到16000转/分,理论车速已经达到220km/h。
因此电机功率足够的情况下,乘用车并不需要***用变速箱。加了变速箱反而会比较麻烦,体积重量控制逻辑都是问题,而能承受600-1000Nm的变速箱制造起来有一定难度,难以实现。而电动机功率不足,受到体积限制的情况下,必须要加装变速箱。以便低速时放大扭矩、中速时提高转速、这样电动机利用率才能高一些,而乘用车只要电动机功率足够是不需要变速箱的。
内燃机汽车依赖变速箱、原因在于有实际的需求,而纯电汽车在民用这一块、目前没有对变速箱的需求,所以目前的纯电汽车就没有配备变速器了;并不是说电动汽车不能装变速器,只是说目前电动汽车不用变速器、即可达到日常使用的要求,所以目前电动车没有配备变速器,而内燃机汽车离开变速器、连起步都做不到!
变速箱是汽车三大件之一、亦是车上精密度极高的部件,但其本质就是个扭矩放大器,无非有两个作用,其一减速而增扭、利用大传动比放***动机扭矩,***车子完成起步、以及提速;其二就是减扭增速、利用低传动比来压制发动机转速,让车子在高速巡航中、发动机转速更低,降低摩擦功损耗、以及降低发动机噪音;由上面描述,我们可以推导出内燃机的几个痛点。。。
低转速扭矩不足:因为低转速扭矩不足,所以需要变速箱去进行扭矩放大,所以离开变速器则内燃机车没办法加速、甚至于连正常起步都做不到!
内燃机转速不够:如今的民用车内燃机、极限转速平均在6.50千转,如果没变速器(***设直传挡,类似于变速箱第四挡、传动比一),那么把油门踩到底、飙到6.50千转,好吧此时车速70公里,这就好比咱们用四挡跑、油门踩到底也就70公里左右,对吧?这样的车速、能满足日常需求么?所以内燃机车必须配个变速器来在高速巡航行驶、对扭矩依赖不大时,来给发动机增速!
给发动机增速的好处有两点,其一利用传动比增速,就不必让发动机转那么快了,其二发动机转速变得更加可控,无论是燃烧、燃油经济性、噪音都很好的被控制;至于电动机则完全不同,它的转速高的离谱、比如特斯拉用的电动机,转速高达1.60万转,接近咱们民用内燃机的2.50倍,所以即便它没有变速器、传动比恒定为一,它也可以利用它1.60万的转速上限来拉出所需的车速,所以纯电车目前并不需要变速器!
如上图所示、这就是一个六挡变速器、各挡位间的齿轮比,我们***设终传比为三,那么一挡可以将扭矩放大为。。。
一挡扭矩放大=4.31*3=12.9倍
实际上轮上扭矩与发动机扭矩之间的关系也是如此,轮上扭矩=发动机扭矩*传动比,而一挡时的传动比就是12.9,所以咱们的车子、在一挡起步时,发动机所输出扭矩、整整被放大了12.9倍,才能顺利起步;那么变速器对内燃机车是不是很重要?***设发动机峰值扭矩可以达到200nm、起步车动时转速一千出头,此时发动机能输出的扭矩最多100nm,可这100nm的扭矩怎么可能拉动平均1.50吨重的民用小汽车呢?
所以内燃机汽车、必须用变速器,至少在民用车领域、必须这么做;当然如果我们玩玩抬杠逻辑,弄个增压V12、配个六七百公斤的车重或许无变速器也能完成起步,只不过这玩意造价不菲,咱们也享受不起,换句话说只要配个变速器、三缸机都能顺利起步,那么又何必弄那么复杂、那么昂贵呢?所以从某种角度上看这变速器也使得内燃机车变得经济、实用,若没变速器,燃油汽车现在必然还是价格高不可攀的东西、更不可能普及!
实际上纯电汽车也有变速器,只不过它的变速器只有一个挡位,如上图、特斯拉的传动比为9.73,理论上就是它可以把扭矩放大9.73倍最高;所以纯电汽车也是有增扭能力的,只不过不像燃油车变速器具备多个传动比,多挡位变速器具备多个传动比。。。