電動汽車系統(tǒng)中發(fā)動機與變速箱的聯(lián)系

（文章來源：百家號）

想要理解汽車發(fā)動機為什么需要變速箱，首先要理解不同類型的發(fā)動機有什么特點。發(fā)動機指能夠?qū)⒁环N能量形態(tài)轉(zhuǎn)化為動能的機器，是一種籠統(tǒng)的概念性定義，并不特指某一種動力元。能定義為發(fā)動機的機器有：外燃式發(fā)動機、內(nèi)燃式發(fā)動機、渦扇發(fā)動機、蒸汽輪機以及電動機等，其中內(nèi)燃式發(fā)動機則是一般理解的發(fā)動機，是燃油動力汽車使用的動力元。普通家用汽車使用的內(nèi)燃機為汽油動力發(fā)動機，這種機器的運行步驟為：進氣噴油、壓縮蒸發(fā)、爆燃做功、排出廢氣。

第一步無須贅述，內(nèi)燃機需要變速箱的核心因素是第三步爆燃做功，燃油與空氣混合進入發(fā)動機燃燒室（氣缸）后，通過活塞上行壓縮空氣產(chǎn)生高溫蒸發(fā)了汽油，汽油與空氣混合后被火花塞高壓電弧引燃，混合油氣則會瞬間爆燃。所謂燃油燃燒的本質(zhì)是一種高溫化學(xué)反應(yīng)，能量分子在明火的作用下開始劇烈的無規(guī)則運動，運動中產(chǎn)生的勢能可理解為宏觀判斷有規(guī)則但細節(jié)無規(guī)則的不斷撞擊，這一撞擊力會推動活塞下行驅(qū)動曲軸運轉(zhuǎn)，曲軸帶動的飛輪是發(fā)動機的動力輸出端，分子運動的狀態(tài)參考下圖。

那么大量的能量分子在固定容積的氣缸內(nèi)無規(guī)則劇烈碰撞（運動），這一過程中必然產(chǎn)生震動，震動則必然產(chǎn)生噪音。內(nèi)燃式發(fā)動機產(chǎn)生動力的基礎(chǔ)正是這種會產(chǎn)生噪音的分子運動（震動），提升動力則需要讓噴入更多的燃油產(chǎn)生強度更大的分子運動，那么高轉(zhuǎn)速運行的震動勢必更大，噪音勢必非?？鋸?，夸張到長時間運行會損壞聽覺系統(tǒng)。其次高強度的震動會造成活塞與氣缸物理接觸強度的增大，物理接觸嚴重則活塞與氣缸磨損嚴重，內(nèi)燃式發(fā)動機并不適合長時間高轉(zhuǎn)速運行，否則耐用性會很差。

發(fā)動機通過轉(zhuǎn)速高低可以自由控制車速，但高轉(zhuǎn)速等于高轉(zhuǎn)速又等于高磨損，那么通過變速箱提供不同的齒輪比，在不同的動力需求狀態(tài)下則能實現(xiàn)高車速低轉(zhuǎn)速。比如5MT五檔手動變速箱，在起步時車輛需要大扭矩則用1擋大齒輪比，也就是發(fā)動機驅(qū)動小齒輪驅(qū)動動力輸出的大直徑齒輪，發(fā)動機旋轉(zhuǎn)一周N圈小齒輪才會旋轉(zhuǎn)一圈，這樣能實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速大馬力起步，重要的是能讓起步后的車速很低，因為發(fā)動機轉(zhuǎn)速高但小齒輪（驅(qū)動輪）轉(zhuǎn)得慢。馬力的計算公式為【（轉(zhuǎn)速×扭矩÷9549）×1.36】，在低速時扭矩小的狀態(tài)則通過齒輪比以高轉(zhuǎn)速獲得大馬力。

而車輛在高速行駛中的行駛阻力比靜態(tài)到動態(tài)的起步小得多，這種狀態(tài)下不用大馬力也能驅(qū)動車輛正常行駛。那么此時以5擋齒輪比，讓發(fā)動機驅(qū)動大直徑的齒輪，該齒輪旋轉(zhuǎn)一周、動力小齒輪能旋轉(zhuǎn)N圈，這就實現(xiàn)了發(fā)動機低轉(zhuǎn)速小馬力輸出同樣能實現(xiàn)高車速。內(nèi)燃式發(fā)動機為了控制磨損和噪音音強而不得不使用多擋變速箱，電機是不是也同理呢？

電動機與內(nèi)燃式發(fā)動機運行原理不同，內(nèi)燃機依靠燃油爆燃產(chǎn)生動能，而電機是依靠電流輸入電機的電磁線圈形成磁場力，利用電磁場和永磁體相斥的特性輸出動力，這種能量轉(zhuǎn)換不存在震動，與燃燒燃油相比是靜態(tài)的實現(xiàn)動能。靜態(tài)則不會考慮振動與噪音，其動能轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)也只是簡簡單單的一組轉(zhuǎn)子軸承，只要電機通電后則能直接旋轉(zhuǎn)，簡單的結(jié)構(gòu)也幾乎不存在震動，否則軸承會快速的磨損損壞。

那么不用考慮震動以及噪音的電動機則能實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速，而且電流形成電磁場、電磁場形成動能的能量轉(zhuǎn)化效率極高，內(nèi)燃機能實現(xiàn)40%能量轉(zhuǎn)化率就算高水平機器，而電動機能輕松實現(xiàn)90%以上。電流的傳輸效率高，在高轉(zhuǎn)速時動力不會明顯的衰減，而內(nèi)燃機高轉(zhuǎn)運行會出現(xiàn)進氣量下滑導(dǎo)致功率下降。所有有絕對優(yōu)勢的電動機可以輕松實現(xiàn)萬轉(zhuǎn)以上的高轉(zhuǎn)速，這種能夠依靠發(fā)動機自身轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)車速的電動機，還有必要使用變速箱嗎？

理論上是沒有必要的，但是電動機由于轉(zhuǎn)速太高如果直接則車速太快，為了把車速控制在合理的區(qū)間，所以電動機往往配合一臺單速變速箱進行減速，也就是利用1AT自動變速箱將發(fā)動機的轉(zhuǎn)速拉低以實現(xiàn)合理的車速。但如果是中低速大扭矩驅(qū)動電機則無需變速箱，很多直驅(qū)電動大巴車是連減速都沒有的，電機轉(zhuǎn)速是多少則能通過車輪直徑對應(yīng)形成多高的轉(zhuǎn)速，這就是電動機的優(yōu)勢所在。

除無噪音、震動、高轉(zhuǎn)速以外，電動機還有恒扭矩的優(yōu)勢，指起步瞬間可以爆發(fā)最大扭矩。因為電流的傳輸速度僅次于光速，踩下油門（電門）的瞬間電流即可達到電動機形成最大扭矩，這點是任何內(nèi)燃式發(fā)動機都做不到的，低扭很強的柴油機也要在1000轉(zhuǎn)以上才能爆發(fā)最大扭矩，所以電動機的低速牽引力很強，這也是高鐵、無軌電車以及某些類型的特車都以電驅(qū)為主的原因。