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工信部:发动机不用变速箱,直接刚性动力输出也行

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  Engine·引擎(发动机)是否可以不用变速箱直驱汽车行驶?几乎每一次讨论哪种类型的变速箱品质更高时,都会有读者询问汽车可否不用变速箱而直接驱动;有些人认为这是天方夜谭,但对于电驱车型比较熟悉的用户则会有更加客观的解读。先撇开汽车不谈:电瓶车是否存有变速结构呢?答案显然是否定的,目前所有量产电摩都是用电机直驱,调整车速完全依靠类似于霍尔控制系统的电流控制单元,以电流输出强弱控制电机转速(输出功率)以调整车速。那么电瓶车都能做到,汽车会做不到吗?


  【引擎】是应为发动机engine的音译,名称不同但概念是相同的;但是发动机并不是特指「活塞往复循环式·内燃式热机」,也就是燃油动力汽车装备的机型。所有能够消耗一种能量并将其转化为机械能(取动力)的机器都叫做发动机,主要类型如下。内燃机,外燃机,涡扇机,涡喷机,电动机等。在这些机器中只有部分机型需要变速箱,比如1-3型发动机;其中燃油汽车的内燃机是无法脱离变速箱直驱的,原因在于此类发动机住转化动力的方式为「燃烧」。


  燃烧的本质是可燃物的氧化反应,在反应过程中产生的光能和热能是“产物”;其中热能是可以转化为驱动力的,但是问题在于转化过程中的分子运动。热能统称为内能,产生的基础是物体内部的原子、分子以及其他微观物体随即运动产生的动能和位能组成。热其实是这些物质不规则碰撞产生的结果,真正驱动曲轴转动并输出转矩的是原子分子的“动态”;而任何物质的碰撞都会产生振动,振动与高温并存则决定了此类依靠燃烧的发动机是不宜高转速运行的,否则机器会以非常快的速度而损坏。


  往复循环:内燃机的运行原理非常简单,其气缸燃烧室内部让混合油气燃烧并产生推动力;推力推动活塞下行,活塞通过连接的连杆带动曲轴运转,曲轴以飞轮输出转矩并带动其他气缸的活塞进行“进压爆排”的四冲程动作。这里的重点是活塞与气缸壁是存在物理接触的,而且气门曲轴轴瓦等核心结构要接触摩擦;但唯独活塞与气缸没有“轴承”的概念,摩擦则必然产生磨损,即使有机油的润滑也只是缓解而不能克服。那么摩擦的频率越高与强度越大,是不是活塞气缸的磨损程度也就会越大呢?答案显然是肯定的,内燃机的转速越高则每分钟做功的总和(功率)也就会越大,说白了就是振动强度即使相当,但是磨损的频率会加剧;自然吸气内燃机的扭矩会随着转速增长而同步提升,振动强度与频率都会提升,所以想要让内燃机耐用就不能高频率的高转速运行。


  功率车速:假设燃油汽车不装备变速箱而直驱,调整车速的方式只能是「升降转速」,来了解两个公式吧。
转速×扭矩÷9549=功率
功率×1.36=马力
控制马力的驱动力是固定的,标准为1马力=75kg-每秒每米;在汽车整备质量不变的前提下,想要提升车速就得加大马力。然而在扭矩只是在小范围内波动的标准中,想要提升马力最终还得依靠转速的拉升,也就是低车速等于低转速与低磨损,高车速等于高转速与不可控的磨损。


  所以燃油汽车必须用变速箱,通过不同的齿轮比实现「不用车速·相当转速」;比如1挡是小齿轮带动大齿轮与车轮运转,小齿轮转很多圈才能让大齿轮转一圈,这不就等于(小齿轮转矩×倍率=大齿轮转矩)吗?说白了就是以发动机高转速,实现“高车速低转速”,这是重载起步牵引或正常起步需要的标准,磨损大一些也没有办法。但是在巡航驾驶中则是发动机驱动大齿轮,带动从动小齿轮与车轮转动;此时就是“低转速·高车速”状态,长时间驾驶也是可以做到磨损可控的,这就是变速箱存在的价值。


  电机直驱·概念,高转电机·减速器,低转电机·AMT,轮毂电机·直驱,电动汽车与电摩并不都是直驱,虽然这种机器可以直驱。电机的结构非常简单,以永磁同步电机为参考,机器的定子转子是不接触的,能量转化是依靠电流在定子绕组(电磁线圈)上形成电磁场,与永磁体的磁极互斥驱动其转动。而定子是悬浮固定,运行中只会与空气磨损而已;唯一的磨损件是转子轴承,但是这种结构又不怕磨损。重点是磁场转化动力不会产生高热能与振动,所以这种机器即使以接近每分钟两万转的高转速运行,机器也足够安静的,但内燃机以相同转速运行就会达到造型听力损伤的程度了。



  电机转速过高则车辆非常容易超速,而且任何发动机都是转速越高能耗越高;所以为了控制电耗与车速,超高转速的电机都是需要匹配「减速器」的,这种机器也可以理解为变速箱。区别是减速器往往只需要一个齿轮比,将转速拉低至合理的标准即可满足正常行驶需求;部分小功率电机使用双速比减速器,这种机器有一定意义但并不是不可取代,因为通过电机的调整可以实现相同的效果。



  低转电机主要用于中重型客货车,使用这种特殊电机的原因无须赘述,简而言之为此类电机的制造成本更低。但是电动机又有一个比较有趣的特点,转速过高时会达到恒功率状态,此时发动机的扭矩是会大幅下降的,电耗显然会比较高。所以这些车辆就不得不使用传统AMT电控机械自动变速器,以燃油汽车的标准进行增扭降速。不过也有一些大型客车用中高转速电机直驱,这就是车企技术水平差距导致的不同结果。



  轮毂电机总会是直驱了,车型以电摩、特殊商用电动汽车,以及部分特殊超重型建筑机械车辆使用这种电机。此类电机的特点是转化效率可以非常高,因为减少了传动系统的损耗。不过簧下质量又比较难以控制,对于车辆的操控感受可能是会有些影响的;所以在乘用车型中目前似乎只有皮卡与越野车进行过尝试,后期是否会普及更多车型还需要继续关注技术发展。



  总结:燃油汽车总无法脱离变速箱直驱,并联式混合动力汽车同样需要,不论DM平台还是EDU/ECVT系统都不例外(后两种本就是变速箱机型)。不过增程式插电汽车是不需要变速箱的,因其内燃机只是作为发电机动力元使用

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