寫在前面：

跑不遠(yuǎn)是電動(dòng)車的致命傷，比亞迪實(shí)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(huì)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(gè)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(gè)二檔變速器？實(shí)際上特斯拉至今沒有公布棄用理由。

馬斯克寧愿增加電機(jī)功率提高電池容量也不用這個(gè)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(cè)馬斯克的二檔變速器，是一個(gè)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(dòng)電機(jī)、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(gè)不少，全搬了過來，后患無窮。服侍這個(gè)小娘子有多煩，國內(nèi)自主變速器大佬應(yīng)該深有體會(huì)，馬斯克自然不會(huì)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(dòng)車？不妨予以歸納：

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

B.  沒有液壓件、沒有摩擦件，結(jié)構(gòu)足夠簡(jiǎn)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(dòng)電機(jī)就可以空載起動(dòng)，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(dòng)力也更強(qiáng)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(jiǎn)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(dòng)車差動(dòng)無級(jí)變速器結(jié)構(gòu)及原理簡(jiǎn)述

變速器結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖中虛線左側(cè)是由差動(dòng)輪系、蝸輪蝸桿組成的無級(jí)變速組件，右側(cè)是復(fù)合輪系組成的機(jī)械式負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)。上空心箭頭表示動(dòng)力輸入，下空心箭頭動(dòng)力輸出。

無級(jí)變速組件、自動(dòng)控制系統(tǒng)組成的無級(jí)變速器，具有模塊化通用機(jī)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(jiǎn)潔、動(dòng)力強(qiáng)悍的車輛無級(jí)變速器。

一、  無級(jí)變速組件

圖中標(biāo)號(hào)：1、蝸桿；外接驅(qū)動(dòng)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(dòng)速度輸出；6、行星架：動(dòng)力輸入。

差動(dòng)輪系常用于運(yùn)動(dòng)的合成和分解。利用合成功能組成的無級(jí)變速器，通常需要二個(gè)主動(dòng)力，其中一個(gè)速度可控。實(shí)際應(yīng)用時(shí)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(shí)，齒圈就會(huì)失控，動(dòng)力將從齒圈上流出，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(shí)候都不會(huì)失控時(shí)，才能使MH=-MS，動(dòng)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(shì)必劇增，效率很低；若非特殊場(chǎng)合，顯然沒有必要。差動(dòng)輪系無級(jí)變速機(jī)構(gòu)因此難以具有實(shí)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(dòng)能力毋庸置疑，傳動(dòng)效率達(dá)97%以上。差動(dòng)輪系與行星輪系的主要區(qū)別，是行星輪系只有一個(gè)自由度，有一個(gè)基本構(gòu)件是固定的。在動(dòng)力輸送過程中，固定構(gòu)件上除主動(dòng)力以外，還同時(shí)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(shí)，即使構(gòu)件沒有固定，狀態(tài)也是不會(huì)變的，可見只要能引入被動(dòng)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(cuò)軸傳動(dòng)裝置，蝸輪主動(dòng)、即反向傳動(dòng)時(shí)，可以自鎖。蝸輪與齒圈同軸固定連接、蝸桿支架安裝在機(jī)座上時(shí)，齒圈不能自由旋轉(zhuǎn)，機(jī)座就能為齒圈提供足夠大的鎖止力矩； 并且始終與主動(dòng)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(dòng)輪系就與行星輪系等效，自然也擁有了大功率傳動(dòng)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(dòng)，相當(dāng)于蝸桿順向旋轉(zhuǎn)、滑塊向下移動(dòng)。

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(shí)，蝸桿順向旋轉(zhuǎn)； α<φ  時(shí)，蝸桿自鎖；  α=φ 時(shí)，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(diǎn)時(shí)，虛線箭頭表示的總反力與法線的夾角 φ 也會(huì)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(dòng)力中左右蝸桿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的周向分力。在Ft 的作用下，蝸桿已具有旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)，因此，迭加一個(gè)不大的作用力，就能使蝸桿脫離自鎖順向旋轉(zhuǎn)?？刂莆仐U的旋轉(zhuǎn)速度，顯然不需要很大的功率，一個(gè)小電機(jī)就能勝任。

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

無級(jí)變速范圍：

系桿動(dòng)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(shí)，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(gè)速度區(qū)域。

僅由差動(dòng)輪系、蝸輪蝸桿組成的無級(jí)變速組件，不能獨(dú)立工作：

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

轉(zhuǎn)矩方向不確定的原因：

運(yùn)行過程中，變速器輸出端與負(fù)載的相對(duì)速度隨時(shí)都在變化，慣性速度滯后或超前時(shí)，慣性力分別為阻力和驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩方向與齒圈、蝸輪旋轉(zhuǎn)方向一致時(shí)，主動(dòng)轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)力，蝸桿從動(dòng)，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(shí)，主動(dòng)轉(zhuǎn)矩為阻力，齒圈、蝸輪從動(dòng)，蝸桿驅(qū)動(dòng)功率勢(shì)必劇增，喪失小功率速度控制能力。

二、自動(dòng)控制系統(tǒng)

為無級(jí)變速組件配備自動(dòng)控制系統(tǒng)，就能確保蝸輪副的反向傳動(dòng)狀態(tài)任何時(shí)候都不會(huì)改變。自動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖及構(gòu)件標(biāo)號(hào)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(dòng)控制系統(tǒng)以行星架11為相對(duì)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(dòng)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(duì)行星架11速度滯后時(shí)，離合器15嚙合，輸出軸與中心輪13連接，動(dòng)力經(jīng)中心輪5、13驅(qū)動(dòng)輸出軸旋轉(zhuǎn)；

相對(duì)速度超前時(shí)，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(shí)反轉(zhuǎn)，至星輪4、齒圈3等齒輪全部嚙合時(shí)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(gè)齒輪，由阻力和驅(qū)動(dòng)力選擇嚙合對(duì)象。相對(duì)速度的線性變化不會(huì)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(huì)誤動(dòng)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(jī)械特性。

END

利用蝸輪蝸桿的機(jī)械特性、配備自動(dòng)控制系統(tǒng)，從而使差動(dòng)輪系無級(jí)變速器具有了實(shí)用性，適用于大型、重型車輛和機(jī)械，填補(bǔ)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(jí)變速器的傳動(dòng)能力，從未有過大幅度的突破，因此，這一項(xiàng)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(jí)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(shí)是顯而易見的。差動(dòng)變速擁有的傳動(dòng)能力、無級(jí)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(dòng)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(shí)隔離外力對(duì)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(shí)際運(yùn)行過程中，相對(duì)速度的滯后或超前狀態(tài)，在各級(jí)齒輪嚙合后就會(huì)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(dòng)元件，沒有參與動(dòng)力輸送，因此不影響傳動(dòng)效率。

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