两档系列（一）：不认识吉凯恩？那宝马呢？

“特斯拉也用一档变速箱”。

电动车发展到今天，市场上仍没有量产车型安装有两档变速器。特斯拉在电动车行业内的标杆作用影响了在它之后的所有厂商。如业内人所知，特斯拉的初衷并不是一档，而是采用两档变速器。然而由于各种原因，这款两档变速器没能成行，这个“不幸”直接对电动车变速器的历史造成了深远的影响，以至于今天仍是一档的世界。

两档变速器能为我们带来什么？

总的来说有三点。最为明显的一点是效率的提升。不难想象，当用两个档位替代一个档位时，可以使得驱动电机在更为高效的区域运行，从而提升驱动系统效率。需要指出的是，行业内普遍认为两档变速器所带来的效率提升并不高，大约只在1~3%左右。

其次，采用两档变速器后，传动比可以做得更高，汽车的动力性也相应增强。简单的来说就是0-100 km/h 的加速时间将进一步缩短。

最后，也是更为重要的一点是，当采用了两个档位后，车内的驱动电机可以更加小型化、低速化，从而降低电机以及逆变器的成本。同时，由于电机的转速的下降了，变速器里可以采用低速的轴承、齿轮等部件来代替昂贵的高速部件，从而进一步降低成本。总的来说，两档变速器所带来的优势体现在效率、动力性以及成本上。

两档变速器已是必然趋势。虽然我们还没有看见量产的两档电动车，但是如果把眼光扩大到新能源领域，可以发现已经有不少混动车型搭载了两档电驱系统。例如舍弗勒、吉凯恩等公司都已有多款产品搭载在欧洲和中国的车型里。除此之外，采埃孚、FEV、Kreisel Electric等许多公司也正研发两档变速器，产品也陆续公布出来。

这篇文章我们先来看看吉凯恩（GKN）公司的两款产品。

宝马 i8 与吉凯恩 SynchroShift

宝马的 i8 车型在业内有举足轻重的地位，凭借这款车型和 i3 车型，宝马在混合动力领域走到了德国三大汽车的最前列¹。i8 融合了众多汽车业界最新的技术，其中一项就是使用了两档电轴。

宝马 i8 的前后两轴都装载有一套驱动系统（如下图）。后轴上装有一台三缸 170 千瓦的1.5升发动机，配备着6档自动变速器²。而前轴为电动驱动轴，安装有一台 96 千瓦的电动机，连接着吉凯恩的两档变速器，即名为SynchroShift的变速器。吉凯恩公司称其为全球第一款两档电轴³。

吉凯恩的这款两档变速器结构很简单，如下图，它采用了AMT的结构。两组齿轮分别实现第一和第二档。同步器安置在了两组齿轮之间，由一台小型直流换档电机负责推动。SynchroShift变速器的各项数据如下：

• 宝马内部变速器代码：GE2I12GK
• 传动比：11.3（第一档）、5.85（第二档）
• 最高输入扭矩：250 牛米
• 最高输入转速：11400 转/分钟
• 质量（含油）：27 千克
• 变速器油量：0.65 升

在宝马 i8 里，SynchroShift 的换档策略非常简单：在 Max eDrive （纯电动行驶）模式下只开第一档⁴，在 Comfort、Eco Pro 或 Sport 模式（皆为混动模式）下只开第二档⁵。因此，只有当驾驶员从 Max eDrive 模式转到其他三个模式（或反过来）时，变速器才会换档。这里，我们能看出几个这个两档变速器里重要的信息：

• 在纯电动模式（Max eDrive）下只用第一档，为的是为驾驶员提供更高的加速体验，而不是提高行驶里程；
• 在纯电动模式下不换档，是因为AMT变速器的先天不足，即换档时有动力中断，也就是换档点头感；
• 在混动模式（Comfort、Eco Pro、Sport）下使用第二档，最主要的考虑是满足最高车速的需求，其次是降低电机的工作转速以提高效率；
• 即便在混动模式下踩下全油门，变速器也不会降档（以提升加速度）。

用一句话总结来说：虽然有两个档位，但是宝马（几乎）把这个变速箱当成单档变速箱来使用。SynchroShift作为一款AMT变速箱，其不可避免的换档动力中断对车辆的平顺控制是一大挑战。为此，宝马尽量避免换档。

SynchroShift的换档过程

说了这么多，一、二档间的换档还是有的。SynchroShift里的换档基本与一般的AMT换档没有区别，但是换档的过程不再是由同步器单独完成，而是加入了电机主动调速。

假设我们在120 km/h时（纯电动模式的最高车速）退出Max eDrive模式，进入Comfort模式。此时，变速器处在第一档，输入转速大约为10600转，二档目标转速为约5500转。也就是说，在短暂的换档中，变速器的输入转速必须迅速降低5100转。

为了在短时间内同步如此高的转速差，吉凯恩SynchroShift同时控制同步器和电机来完成这个工作，下图展示了这个换挡过程。

接收到一档升二档的换档信号后 ①，电动机迅速降低输出扭矩，同时，换档电机进行摘档动作，退出第一档 ②。之后，电机进入主动调速阶段，利用负扭矩迅速降低转速。当转速降低到一定幅度时 ③，同步器开始作用（此之前只有电机在作用），更快地拉低变速器输入轴转速 ④。当转速非常逼近目标值时，电机退出同步过程 ⑤，不再输出扭矩，交由同步器单独完成剩余的工作 ⑤-⑥。第二档完全挂入后 ⑦，电机重新输出扭矩，驱动汽车。

原先只能由同步器单独完成的工作，即 ②-⑥，现在由电机完成了一大部分，缩短了换档的时间，同时也为同步器减去不少负担。

前面说到，电机在 ⑤ 处退出了同步过程。也许你会问，为什么电机在最后关头退出了？为什么不和同步器一块坚持到底？我的理解是，同时控制电机与同步器时，两种控制同时促进着转速的下降。当转速同步进行到快结束时，转速即将到达目标值，此时对控制的精准性更高。为防止两种控制互相干扰，吉凯恩只保留一种控制，即同步器的控制，保证同步过程平滑结束。

通过电机与同步器的协同工作，吉凯恩SynchroShift的换档过程控制在了0.5秒到1秒之间。而这0.5到1秒的时间就是动力中断的时间。为了防止换档点头感，在动力中断前，车辆的驱动力会全部交给后轴（即发动机所在轴）提供，从而保证换档平滑。

由此，SynchroShift是一款完完全全的混动汽车变速器，它只能放在混动车里使用。

吉凯恩TorqueShift

如果说宝马 i8 在换档时能依托发动机来弥补动力，所以AMT动力中断这个缺点还不是那么凸显的话，那么对于纯电动车来说这个问题就很棘手了。电动车里，换档时的动力中断无法用其他方式来弥补。对于车辆的舒适性来说，无换档动力中断极为重要⁶。

吉凯恩的第二款两档变速器 TorqueShift 就是为了这个目的而设计，它是一款纯电动车用的两档变速箱。与上面我们看到的 SynchroShift 相比，它的结构截然不同。

在 TorqueShift 里，吉凯恩告别了同步器，为两个档位都各自配备了一个湿式离合器。换档时，通过控制两个离合器上的油压，两个档位的动力能够实现无缝交接，从而达到无动力中断。这个换档过程与双离合变速器非常像。下图展示了吉凯恩这款变速器的原理图。

虽然 TorqueShift 与 SynchroShift 的结构完全不同，但是在第一档传动比的选择上几乎一致。TorqueShift 的第一档传动比为11.84 （SynchroShift 为11.83）。第二档两个变速器的差距较大，TorqueShift 为 6.65（SynchroShift 为 5.85）。

从混动车的 SynchroShift 到电动车的 TorqueShift 设计参数改变可以看出，吉凯恩认为在电动车里，两个档位的传动比应该靠得更近一些。变速器的传动比区间（ratio spread）从 2.0 降到了 1.78。在下一篇文章里面我们还会看到吉凯恩在另一款两档变速器（eTwinsterX）里也用到了这个 1.78 的传动比区间。

TorqueShift 在结构上另外一个值得指出的地方是它的离合器液力执行机构。两个湿式离合器的油压控制放置在了变速器壳体内（上图标记油腔）。油腔内的压力升高时，活塞（蓝色）被推动向右移动。在一般的变速器里，活塞直接推动并压紧离合器压片，从而关闭离合器。而在这款变速器内，由于活塞安装在变速器壳体内，无法与轴一同旋转，吉凯恩在活塞的右侧安装了一个滚珠轴承。活塞的位移必须通过这个滚珠轴承传递到离合器的压片上，压紧离合器。

TorqueShift 产品公布至今已有三年。早在2017年，吉凯恩已在一台沃尔沃C30车型中测试了这台两档变速器。然而，在至今仍未量产，各中原因不得而知。

下一篇里，我们会一起聊一聊吉凯恩的第三款两档变速器 eTwinsterX。