寫在前面：

跑不遠(yuǎn)是電動車的致命傷，比亞迪實際上已經(jīng)證明二檔變速器是續(xù)命良方，卻依然波瀾不興，好像除了“三電”核心技術(shù)中的電池容量還在坐等突破以外，其他的技術(shù)問題都已經(jīng)擺平了。變速器是否還需要改進(jìn)，更無人關(guān)心了。

記得馬斯克曾經(jīng)化重金研制二檔變速器，最后放棄了，為什么？二檔變速器的作用，馬斯克不會不知道，為什么最終仍然棄用？國內(nèi)傳聞，外國公司造不出這個變速器，用了不到40秒就壞了。為特斯拉研制變速器的企業(yè)，是英國的Xtrac公司，F(xiàn)1等賽車變速器制造商。著名的專業(yè)企業(yè)搞不定一個二檔變速器？實際上特斯拉至今沒有公布棄用理由。

馬斯克寧愿增加電機功率提高電池容量也不用這個變速器，肯定是有理由的。根據(jù)Xtrac公司的專業(yè)背景，不難揣測馬斯克的二檔變速器，是一個二檔序列式AT變速器。很明顯，不是外國人造不出，而是這類變速器先天不足。理由如下：

一、 固定速比的變速器，不具備車輛起步能力，仍然需要驅(qū)動電機、液力變矩器或者離合器的配合。二檔速比的減速增矩效果，并非必要。

二、 電磁、液壓器件、工作介質(zhì)、制造工藝、系統(tǒng)控制、匹配標(biāo)定、換檔質(zhì)量，猶如嫁妝，一個不少，全搬了過來，后患無窮。服侍這個小娘子有多煩，國內(nèi)自主變速器大佬應(yīng)該深有體會，馬斯克自然不會上鉤。

由此可見，是否配備變速器，必須權(quán)衡利弊。AT變速器本身不具備平滑變速能力，是魚與熊掌不能兼得的主要原因。

變速器應(yīng)該具備什么能力，才能符合馬斯克的要求，適用于電動車？不妨予以歸納：

A.  大功率無級、無限變速和傳動能力。即傳動能力不亞于AT；擁有零轉(zhuǎn)速輸出能力、無級變速范圍覆蓋車輛起步、加速行駛至超速整個速度區(qū)域；

B.  沒有液壓件、沒有摩擦件，結(jié)構(gòu)足夠簡潔，與二檔變速器相仿；

C.  小功率、數(shù)字化速度控制能力。

具有上述性能，驅(qū)動電機就可以空載起動，并且始終在最高效率區(qū)內(nèi)工作，其意義是顯而易見的，遠(yuǎn)非二檔變速器可比。由于具有更大的速比，因此動力也更強勁，火爆脾氣不亞于馬斯克。

老納根據(jù)上述要求畫了幾張簡符，期待年青才俊閱后有所啟迪，開出自己的方子來，為自主變速器企業(yè)削骨療傷。

新型電動車差動無級變速器結(jié)構(gòu)及原理簡述

變速器結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖中虛線左側(cè)是由差動輪系、蝸輪蝸桿組成的無級變速組件，右側(cè)是復(fù)合輪系組成的機械式負(fù)反饋自動控制系統(tǒng)。上空心箭頭表示動力輸入，下空心箭頭動力輸出。

無級變速組件、自動控制系統(tǒng)組成的無級變速器，具有模塊化通用機械的顯著特征，與輸入輸出設(shè)備的配接非常方便。輸出端與倒車換檔裝置和差速器連接以后，就是一種結(jié)構(gòu)簡潔、動力強悍的車輛無級變速器。

一、  無級變速組件

圖中標(biāo)號：1、蝸桿；外接驅(qū)動元件控制變速器的輸出速度；2、蝸輪；3、齒圈，與蝸輪同軸固定連接；4、行星齒輪；5、中心輪：差動速度輸出；6、行星架：動力輸入。

差動輪系常用于運動的合成和分解。利用合成功能組成的無級變速器，通常需要二個主動力，其中一個速度可控。實際應(yīng)用時需要克服的主要局限有：

中心輪的輸出力矩：MS = MR( 1+α）/α，即輸出扭矩的大小取決于齒圈上的外力矩。當(dāng)負(fù)載阻力大于 MS 時，齒圈就會失控，動力將從齒圈上流出，機構(gòu)運動由合成反轉(zhuǎn)為分解，隨即喪失變速能力。根據(jù)外力矩平衡關(guān)系：MH+MR+MS=0 可知， MR 足夠大，齒圈任何時候都不會失控時，才能使MH=-MS，動力全部流向負(fù)載。

足夠大的 MR  需要大功率施力裝置的支持，能耗勢必劇增，效率很低；若非特殊場合，顯然沒有必要。差動輪系無級變速機構(gòu)因此難以具有實用性，是迄今為止摩擦變速一統(tǒng)天下的主要原因。

在周轉(zhuǎn)輪系中，行星輪系的大功率傳動能力毋庸置疑，傳動效率達(dá)97%以上。差動輪系與行星輪系的主要區(qū)別，是行星輪系只有一個自由度，有一個基本構(gòu)件是固定的。在動力輸送過程中，固定構(gòu)件上除主動力以外，還同時存在約束反力，構(gòu)件狀態(tài)始終是穩(wěn)定的。根據(jù)平衡力的定義可知，在作用力大小相等、方向相反時，即使構(gòu)件沒有固定，狀態(tài)也是不會變的，可見只要能引入被動力，就能鎖定構(gòu)件，構(gòu)件的固定形式并不是主要條件；間接固定也能取有相同的效果。即：足夠大的 MR，可以由無源裝置產(chǎn)生。

蝸輪蝸桿是一種交錯軸傳動裝置，蝸輪主動、即反向傳動時，可以自鎖。蝸輪與齒圈同軸固定連接、蝸桿支架安裝在機座上時，齒圈不能自由旋轉(zhuǎn)，機座就能為齒圈提供足夠大的鎖止力矩； 并且始終與主動力相等，效果顯然非常理想，遠(yuǎn)超有源的施力裝置。

鎖定了齒圈，差動輪系就與行星輪系等效，自然也擁有了大功率傳動能力和高效率，局限已經(jīng)成功清除。

小功率速度控制能力：

蝸輪蝸桿的自鎖條件是：蝸桿導(dǎo)程角小于當(dāng)量摩擦角；蝸輪蝸桿的反向自鎖，相當(dāng)于斜面上滑塊靜止，如下圖所示。圖中斜面向右移動，相當(dāng)于蝸桿順向旋轉(zhuǎn)、滑塊向下移動。

圖中  α：導(dǎo)程角；φ：摩擦角，即總反力R 與斜面法線的夾角。 α>φ 時，蝸桿順向旋轉(zhuǎn)； α<φ  時，蝸桿自鎖；  α=φ 時，滑塊處于靜止與下滑的臨界狀態(tài)。

圖中 fm：摩擦力。摩擦力增加，延伸至D點時，虛線箭頭表示的總反力與法線的夾角 φ 也會增加，即采取相應(yīng)技術(shù)措施，增加等效摩擦力，就可以使自鎖處于臨界狀態(tài)附近，為小功率速度控制創(chuàng)造條件。

Ft：主動力中左右蝸桿運動狀態(tài)的周向分力。在Ft 的作用下，蝸桿已具有旋轉(zhuǎn)趨勢，因此，迭加一個不大的作用力，就能使蝸桿脫離自鎖順向旋轉(zhuǎn)。控制蝸桿的旋轉(zhuǎn)速度，顯然不需要很大的功率，一個小電機就能勝任。

在差動輪系、蝸輪蝸桿組成的無級變速組件中，蝸輪蝸桿的用途不是驅(qū)動，而是利用交錯軸傳動的結(jié)構(gòu)特征，改平面控制為空間控制，隔離了動力輸送與控制的關(guān)聯(lián)；利用被動力鎖定齒圈、空間力控制速度，使合成成為差動輪系機構(gòu)唯一的運動形式，從而為差動無級變速的實際應(yīng)用，排除了主要技術(shù)障礙。

無級變速范圍：

系桿動力輸入、齒圈速度控制、系桿、齒圈、蝸輪、中心輪旋轉(zhuǎn)方向一致時，中心輪輸出速度連續(xù)變化范圍：0 ~ ω H? (1+α) / α，覆蓋車輛起步至超速整個速度區(qū)域。

僅由差動輪系、蝸輪蝸桿組成的無級變速組件，不能獨立工作：

組件僅在蝸輪蝸桿反向傳動、蝸輪上轉(zhuǎn)矩方向與蝸輪旋轉(zhuǎn)方向一致時才能擁有小功率速度控制、大功率變速傳動能力。但是在運行過程中，轉(zhuǎn)矩方向卻隨時會變，與蝸輪旋轉(zhuǎn)方向相反時，蝸桿的狀態(tài)就不是從動而是驅(qū)動了，控制功率勢必劇增，最終失控崩潰。

轉(zhuǎn)矩方向不確定的原因：

運行過程中，變速器輸出端與負(fù)載的相對速度隨時都在變化，慣性速度滯后或超前時，慣性力分別為阻力和驅(qū)動力，方向是相反的。中心輪上的慣性力，迫使星輪扭轉(zhuǎn)，改變了蝸輪上主動轉(zhuǎn)矩的方向。如下圖所示：

變速器的速度變化范圍確定以后，構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)方向就不容許改變了。圖左：主動轉(zhuǎn)矩方向與齒圈、蝸輪旋轉(zhuǎn)方向一致時，主動轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動力，蝸桿從動，控制蝸桿的旋轉(zhuǎn)速度，不需要很大的功率；圖右：方向相反時，主動轉(zhuǎn)矩為阻力，齒圈、蝸輪從動，蝸桿驅(qū)動功率勢必劇增，喪失小功率速度控制能力。

二、自動控制系統(tǒng)

為無級變速組件配備自動控制系統(tǒng)，就能確保蝸輪副的反向傳動狀態(tài)任何時候都不會改變。自動控制系統(tǒng)簡圖及構(gòu)件標(biāo)號如下圖所示：

圖中齒輪7與上圖虛線左側(cè)星輪4連接，蝸桿9的支架安裝在上圖中系桿6上，齒輪7、8與蝸桿9隨系桿6一起旋轉(zhuǎn)。中心輪5、13同軸固定連接。

蝸輪10與行星架11同軸固定連接；星輪4、中心輪5齒數(shù)比，等于星輪4至蝸輪10齒數(shù)比，中心輪5、行星架11具有相同的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度。

自動控制系統(tǒng)以行星架11為相對速度的比較基準(zhǔn)。

離合器15、16的結(jié)構(gòu)如圖右所示。在動力傳送過程中，輸出軸17的旋轉(zhuǎn)方向是不變的。

輸出軸相對行星架11速度滯后時，離合器15嚙合，輸出軸與中心輪13連接，動力經(jīng)中心輪5、13驅(qū)動輸出軸旋轉(zhuǎn)；

相對速度超前時，離合器15脫離，16嚙合，輸出軸與中心輪14連接，并牽引中心輪14一起旋轉(zhuǎn)，中心輪13同時反轉(zhuǎn)，至星輪4、齒圈3等齒輪全部嚙合時鎖止。

離合器15和離合器16相當(dāng)于固定在輸出軸上的一個齒輪，由阻力和驅(qū)動力選擇嚙合對象。相對速度的線性變化不會突變，因此嚙合沖擊很小。

中心輪5上慣性力的方向，因此始終不變，不會誤動作，從而確保齒圈、蝸輪上轉(zhuǎn)矩方向不變，始終與齒圈、蝸輪旋轉(zhuǎn)方向一致，使變速器在任何工作環(huán)境下，都具有始終如一、穩(wěn)定可靠的機械特性。

END

利用蝸輪蝸桿的機械特性、配備自動控制系統(tǒng)，從而使差動輪系無級變速器具有了實用性，適用于大型、重型車輛和機械，填補了該領(lǐng)域產(chǎn)品空白，技術(shù)上的進(jìn)步是顯而易見的。

長期以來，無級變速器的傳動能力，從未有過大幅度的突破，因此，這一項新技術(shù)，無疑具有重大意義。即使存在瑕疵，也應(yīng)該是值得的。

蝸輪副無級變速形式，與滑輪鋼帶、行星錐盤等摩擦變速形式相比，優(yōu)劣其實是顯而易見的。差動變速擁有的傳動能力、無級變速范圍，硬件的可靠性，均遠(yuǎn)非摩擦式變速裝置可比。

自動控制系統(tǒng)中蝸輪蝸桿的主要作用，是使行星架11的旋轉(zhuǎn)速度和方向，與中心輪5相同，同時隔離外力對行星輪4的影響。以行星架11為基準(zhǔn)，可以比較負(fù)載速度的超前與滯后。實際運行過程中，相對速度的滯后或超前狀態(tài)，在各級齒輪嚙合后就會終止，相當(dāng)于四驅(qū)車輛的中央差速鎖，工作在鎖止?fàn)顟B(tài)。蝸輪蝸桿是行星架11的驅(qū)動元件，沒有參與動力輸送，因此不影響傳動效率。

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