两档系列(三):当保时捷玩起了变速箱


保时捷Taycan

保时捷Taycan纯电动超跑 | 图片@Porsche

保时捷为它的最新款纯电动超跑取名 Taycan。看似不经意的名字,其实取名的过程就像爸妈纠结小孩叫什么名字一样,格外小心翼翼,希望能在几个字母的长度里淋漓精致地体现出这款车的个性。Taycan 一词来源于土耳其语,拆成两半的话,Tay 意为年轻的骏马,Can 为生机,合并起来即腾飞的骏马1。这个词从 600 多个备选词里脱颖而出,历经一年半,最终成为了这款车的名字。

朋友说 Taycan 这个词在中文里直接音译过来叫“抬杠”,更能体现保时捷抬杠劲敌特斯拉的本意,所以才取这个名字。虽然这(应该)不是保时捷的本意,但是 Taycan 在这个时候诞生,无论怎么说营销故事,都不得不让人把它与特斯拉做对比。

Taycan 发布会当天,媒体上充斥着最多的就是 Taycan 与特斯拉 Model S 的对比文章,火药味十足2。看到这我想,拿一辆将近20万美元的车跟一辆价格只有一半的车相比,比出个什么结果才满意呢?不过这样的闹腾想必在保时捷的计划之中。高端汽车市场,即便放到在全球来看,一直都是德国车企的天下,霸占着约四分之三的市场份额。但是今天,2020年,在电动车领域,特斯拉显然已经成为了高端汽车的代名词。德国汽车行业需要一款自己的高端电动车,一款能抬杠特斯拉的电动车。

保时捷Taycan

保时捷Taycan纯电动超跑 | 图片@Porsche

扎眼的两档变速箱

既然要抬杠,那就得把杠子抬得够高。Taycan 里的各项新技术让人羡慕和眼馋。在 Taycan 众多的新技术里,很扎眼的一个就是我们今天要说的两档变速器。为什么说扎眼?在过去的26年里,保时捷没有自己开发过变速器。26年的无聊后,保时捷完成了当时特斯拉做砸了的事:电动车两档变速器。不好意思,又扯到特斯拉去了。

电动车从没档位到有档位,我们在第一篇里讲过,原因可以归结于三点:效率的提升、动力性增强、驱动电机小型化和低速化,我们分别看看这款变速器的情况:第一点效率上,两档对 Taycan 驱动系统的效率提升没有任何帮助。第三点电机小型化上,Taycan 的后轴(两档变速器所在轴)采用了 335千瓦、550牛米和 16,000转速的电机,显然没有走小型化和低速化的路线。保时捷真正的初衷在与第二点,“动力性增强”上。利用第一档的高传动比,Taycan 在百公里加速上达到了 2.61 秒,比特斯拉 Model S 稍快3

以上三点都是技术方面的原因。还有重要的一点就是品牌的“抬杠”。将来,30后、40后的孩子们翻开历史书,就知道全球第一款装了多档变速器的电动车是保时捷做的。历史上有很多第一次,人们只记得一个领域的第一人4,而不知道第二和第三个人是谁。

保时捷Taycan两档变速器

保时捷Taycan两档变速器 | 图片@Porsche

变速器技术细节

我们来看看今天的主角。在开发这款两档变速器的过程中,保时捷在前期考虑过不同的设计方案。下图展示了其中的六种方案5,包括行星齿轮组形式(例如方案③、④、⑥)、圆柱齿轮形式(例如方案①),以及两者的混合形式(例如方案②、⑤)。各个方案复杂度不一,方案⑥甚至采用了两组行星齿轮排来实现两个档位,不难想象为什么这个方案没有被最终采用。

值得指出的是,所有方案都有一个共性,那就是都采用了一个单向离合器、一个爪式离合器以及一个多片式离合器(图中的黑色三角形符号代表单向离合器,黑色圆形符号代表爪式离合器)用来换档。我们马上会说这几个离合器的功能。保时捷最终选择了行星齿轮组形式的方案④,进入了量产。

保时捷为Taycan考虑过的六种两档变速器结构,其中方案④为量产方案

保时捷为Taycan考虑过的六种两档变速器结构,其中方案④为量产方案 | 图片@obasic.net

我们这里就挑出方案④和落选的方案③,看看保时捷为什么这么选择

第④号方案中(下图左侧图),驱动电机通过一级齿轮组减速,连接到行星齿轮组的齿架上(蓝色线)。第一档时,太阳轮(红色)通过左侧的单向离合器(黑色三角形符号)被锁死。此时,根据需要,变速器控制器还可以额外关闭爪式离合器(黑色圆形符号),给太阳轮“上了第二把锁”,使其锁死。行星齿轮组中的齿圈连接至差速器(绿色),作为变速器的输出端。这是第一档的情况。这一档的传动比为 16:1。第二档时,爪形离合器打开,同时齿圈与齿架通过一个多片式离合器连接,行星齿轮组被“短路”。第二档的传动比为 8.05:1。

第③号方案中(落选,下图右侧图),驱动电机的转速通过一级齿轮,与行星齿轮组的齿圈外侧啮合。第一档时,单向离合器或/和爪式离合器锁死。第二档时,多片离合器锁死。方案③的结构其实更为简单。

为什么③号方案落选?高转速。如果你回到上一张图,你可以发现,在①、②、③号方案中,当电机以高转速旋转时,方案①和②中的多片离合器、方案②和③中的行星齿轮组的齿圈直接与高转速“接触”,零件的设计构型要求非常高。而在方案④、⑤、⑥中,电机出口处的一级减速成为了一道天然屏障,使得之后的零件所“接触”到的转速大大降低。这样一来,行星齿轮组、换档元件等都处于一个“转速保护区域”,这些零件的设计、选型要求都能大大降低。反过来看方案①、②、③,这个“转速保护区域”是不存在的。

而相比于⑤和⑥来说,方案④的优势在于它的结构“不那么复杂”(其实也挺复杂,我不好意思说出来)。就这样,就像为 Taycan 取名字一样,保时捷千挑万选,最终看准了方案④,进入了量产。

保时捷Taycan量产变速器与落选变速器方案

保时捷Taycan量产变速器(左侧)与落选变速器(右侧)方案 | 图片@obasic.net

保时捷玩起了两档,其他人会跟进吗?

保时捷高调造两档,让我想起了 2003 年大众引入双离合变速器,在之后的几年内,双离合变速器成为了市场的主流产品。随着保时捷 Taycan 的发布,电动车两档终于被提上了日程。保时捷品牌的号召力会极大地推进两档变速器的发展。当然,接下来的几年内,以特斯拉为代表的一档仍然是主流,但两档必然是近期的发展方向。这一点,行业内似乎更加明确了。

保时捷Taycan变速器中的换档鼓

保时捷Taycan变速器中的换档鼓 | 图片@Porsche

必须指出的一点是,虽然只有两个档位,但是两档变速器的构型可以非常多样。上面展示的保时捷所考虑的六种方案就是一个很好的实证。保时捷选中的方案④复杂度很高,对于很多其他公司来说,没有太多的参考意义。如上图,这款变速器内采用的很多零件都是行业内不常使用的种类,例如换档鼓6、离合器拨叉等。由此带来的一大挑战是供应商的选择,以及与之相联的成本问题。当然,保时捷作为财大气粗的高端车型厂商,这些问题“比较”好解决,对于他人来说却是另一码事。

两档变速箱还有比保时捷更好的方案。市场上两档产品,在接下来的几年中会出现多样化。从技术路线上总结来说,在无动力中断换档的前提下,成本为王。

注释:

  1. 出处:保时捷官网“腾飞的骏马”

  2. 如果你感兴趣的话,Taycan 发布的2019年9月4号当天,有TechCrunchInsideEVsAutoBlog等媒体的文章对比保时捷 Taycan 和特斯拉 Model S,闲的慌的话可以读读。

  3. 如果可以翻墙的话,我推荐你看看 Youtube 上 Engineering Explained 频道的 Jason Fenske 的视频,他对 Taycan 和 Model S 的百公里加速从工程角度做了非常专业的拆解,请猛击这里

  4. 这个话题上,我推荐你读一读定位理论之父杰克·特劳特(Jack Trout)的书《定位》

  5. 出处:保时捷公司 Michael Niko 2019年12月在柏林CTI论坛上的报告“Two-speed rear axle transmission Porsche Taycan”。

  6. 使用换档鼓的原因,是可以利用一个执行装置同时控制多片式离合器和爪式离合器,减少了执行系统的复杂性。


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