变速器——MT、AT、CVT 和 DCT 的比较

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0. 本文内容

为什么车轮不能直接与发动机连接，以及为什么需要传动比。
手动变速器 (MT)、液力变矩器自动变速器 (AT)、无级变速器 (CVT) 和双离合变速器 (DCT) 之间的机械元件、效率、散热和控制方面的差异。
示例包括 ZF 8HP、丰田的行星齿轮 THS 动力分配系统和双离合变速器 (DCT)，以及电动汽车通常采用减速齿轮的原因。

1. 总结：什么是变速器？

变速器将原动机的转速和扭矩转换为与车辆速度、坡度和负载相匹配的传动比。这里将减速比 $i$ 定义为输入扭矩与输出扭矩之比。对于输入扭矩 $T_i$ 、输出扭矩 $T_o$ 、输入转速 $\omega_i$ 和输出转速 $\omega_o$ ，

i=\frac{\omega_i}{\omega_o},\qquad \left.\frac{T_o}{T_i}\right|_{\eta_g=1}=i,\qquad \frac{T_o}{T_i}=\eta_g i,\qquad P_o=\eta_g P_i

中间的关系式是无损耗的理想情况；右侧关系式包含了齿轮、轴承和油液的效率损失 $\eta_g$ 。更大的减速比 $i$ 会增加车轮扭矩，但会降低车轮转速。

2. 为什么需要减速比

内燃机只有在有限的转速范围内才能高效输出高扭矩，并且无法在零速下持续旋转。车轮必须能够从静止加速到高速，因此起步时需要较大的减速比，而巡航时则需要较小的减速比。电动机提供高低速扭矩和宽广的恒功率范围，因此可以省略多个齿轮，但重型车辆、高速行驶和牵引等情况可能需要两个或多个减速比。

离合器吸收速度差并断开动力源；差速器允许左右车轮之间存在速度差。因此，变速器的效率损失不仅包括齿轮啮合损失，还包括换挡中断、液压泵损耗、冷却和控制软件损耗。

3. 基本架构

图 1 — 选择传动比后，离合器吸收速度差，差速器将扭矩分配到车轮。

4. 手动变速器 (MT)：最直接的换挡

手动变速器 (MT) 要求驾驶员分离离合器，同步轴转速，然后挂入档位。常啮合齿轮很常见：即使未使用的齿轮也会旋转，而同步环和爪式离合器则连接选定的齿轮。这种设计机械结构透明，液压控制很少，但起步、坡道起步和换挡都取决于驾驶员的操作。

5. 自动变速器 (AT)：液力变矩器和行星齿轮

传统的自动变速器结合了液力变矩器、行星齿轮组、液压离合器和电子控制单元。泵、涡轮和定子之间的转速差可以放大起步扭矩；锁止离合器可以减少巡航时的打滑。行星齿轮组通过选择其太阳轮、行星架和同步环的哪个部分处于保持、从动或输出状态来改变传动比。

采埃孚 (ZF) 发布了一款 8HP 设计，该设计采用四个齿轮组和五个换挡元件，这表明更多的传动比并不意味着更多的齿轮。目前的 8HP 型号采用模块化设计，适用于燃油车、轻混车和插电式混合动力车。

6. 无级变速器 (CVT)：无级变速

皮带式 CVT 通过液压改变两个皮带轮的有效半径。其传动比是

i_{CVT}=\frac{\omega_{in}}{\omega_{out}}=\frac{r_{driven}}{r_{drive}}

在无滑移的情况下，ωin rdrive = ωout rdriven。驱动轮半径为 50 mm，从动轮半径为 100 mm，则 i=2，因此输出速度是输入速度的一半。

它可以使发动机保持在接近高效转速，但皮带夹紧力、皮带轮摩擦和液压泵会消耗能量。可以添加起步液力变矩器或行星齿轮级，混合动力分配系统可以规划一条电气路径；因此，两种被称为“CVT”的系统可以具有截然不同的动力流。

7. 双离合变速器 (DCT)：两个离合器交替工作

双离合变速器将奇数挡和偶数挡分配给不同的离合器，并预选下一挡。换挡时，一个离合器打开，另一个离合器关闭，从而最大限度地减少中断。干式离合器油液搅动损失低，但起步时会产生热量和磨损；湿式离合器冷却效果更好，但需要泵动力。

8. 方法比较

类型	机械原理	效率趋势	困难工况
手动变速器 (MT)	固定齿轮和单离合器	高扭矩，控制损失小	交通状况、起步、驾驶员操作变化
多速自动变速器 (AT)	液力变矩器、行星齿轮组、液压系统	高扭矩，带锁止功能	液压/冷却损耗、质量、换挡延迟
无级变速器 (CVT)	可变滑轮	使原动机保持在接近高效点	高扭矩、皮带夹紧、发热
双离合变速器 (DCT)	奇偶齿轮和双离合器	高机械耦合	低速离合器发热和控制复杂
电动汽车减速	通常为固定减速比和差速器	传动比相关损耗小	高速、质量、电机转速限制

9. 控制和实际选择

换挡控制系统读取车速、油门响应、发动机转速、坡度、油温和横向加速度。简化的成本为

J= w_f\,\mathrm{fuel}+w_s\,\mathrm{shift\ shock}+w_d\,\mathrm{delay}+w_t\,\mathrm{temperature}

仅优化燃油可能会导致频繁换挡或低速振动。电气化系统会增加电机转速限制、电池荷电状态 (SOC)、能量回收扭矩和逆变器温度。

驾驶感受和维护便捷性：手动变速箱 (MT)，可接受离合器磨损和驾驶员操作力度。
车辆整体质量、牵引能力和舒适性：多速自动变速箱 (AT)，需将变矩器、液压系统和冷却系统作为一个整体进行比较。
匀速行驶经济性：无级变速器 (CVT)，需在检查最大输入扭矩和热容量后选择。
快速换挡和运动响应：双离合变速器 (DCT)，需在检查交通状况下的离合器温度后选择。
乘用电动车：固定减速比是基准；高速巡航和牵引可能需要多个减速比。

10. 三行总结

变速器将原车的窄速比高效转速范围与车轮的宽速比相匹配。

手动变速箱 (MT)、自动变速箱 (AT)、无级变速器 (CVT) 和双离合变速器 (DCT) 在齿轮、液压系统、皮带和双离合性能与效率、散热和控制复杂性之间进行权衡。

电动汽车可以简化为固定减速比，但应选择合适的减速比。从系统效率（包括高速、牵引和能量回收）等方面入手。

检查你的理解

减速比翻倍会产生什么影响？

理想情况下，输出速度减半，扭矩翻倍。动力并非凭空产生；实际的变速器也会有损耗。

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