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电动汽车系统中发动机与变速箱的联系

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电动汽车系统中发动机与变速箱的联系

发布日期:2019-11-14 作者: 点击:

想要理解汽车发动机为什么需要变速箱,首先要理解不同类型的发动机有什么特点。发动机指能够将一种能量形态转化为动能的机器,是一种笼统的概念性定义,并不特指某一种动力元。能定义为发动机的机器有:外燃式发动机、内燃式发动机、涡扇发动机、蒸汽轮机以及电动机等,其中内燃式发动机则是一般理解的发动机,是燃油动力汽车使用的动力元。普通家用汽车使用的内燃机为汽油动力发动机,这种机器的运行步骤为:进气喷油、压缩蒸发、爆燃做功、排出废气。


第一步无须赘述,内燃机需要变速箱的核心因素是第三步爆燃做功,燃油与空气混合进入发动机燃烧室(气缸)后,通过活塞上行压缩空气产生高温蒸发了汽油,汽油与空气混合后被火花塞高压电弧引燃,混合油气则会瞬间爆燃。所谓燃油燃烧的本质是一种高温化学反应,能量分子在明火的作用下开始剧烈的无规则运动,运动中产生的势能可理解为宏观判断有规则但细节无规则的不断撞击,这一撞击力会推动活塞下行驱动曲轴运转,曲轴带动的飞轮是发动机的动力输出端,分子运动的状态参考下图。


那么大量的能量分子在固定容积的气缸内无规则剧烈碰撞(运动),这一过程中必然产生震动,震动则必然产生噪音。内燃式发动机产生动力的基础正是这种会产生噪音的分子运动(震动),提升动力则需要让喷入更多的燃油产生强度更大的分子运动,那么高转速运行的震动势必更大,噪音势必非常夸张,夸张到长时间运行会损坏听觉系统。其次高强度的震动会造成活塞与气缸物理接触强度的增大,物理接触严重则活塞与气缸磨损严重,内燃式发动机并不适合长时间高转速运行,否则耐用性会很差。


发动机通过转速高低可以自由控制车速,但高转速等于高转速又等于高磨损,那么通过变速箱提供不同的齿轮比,在不同的动力需求状态下则能实现高车速低转速。比如5MT五档手动变速箱,在起步时车辆需要大扭矩则用1挡大齿轮比,也就是发动机驱动小齿轮驱动动力输出的大直径齿轮,发动机旋转一周N圈小齿轮才会旋转一圈,这样能实现高转速大马力起步,重要的是能让起步后的车速很低,因为发动机转速高但小齿轮(驱动轮)转得慢。马力的计算公式为【(转速×扭矩÷9549)×1.36】,在低速时扭矩小的状态则通过齿轮比以高转速获得大马力。


而车辆在高速行驶中的行驶阻力比静态到动态的起步小得多,这种状态下不用大马力也能驱动车辆正常行驶。那么此时以5挡齿轮比,让发动机驱动大直径的齿轮,该齿轮旋转一周、动力小齿轮能旋转N圈,这就实现了发动机低转速小马力输出同样能实现高车速。内燃式发动机为了控制磨损和噪音音强而不得不使用多挡变速箱,电机是不是也同理呢?


电动机与内燃式发动机运行原理不同,内燃机依靠燃油爆燃产生动能,而电机是依靠电流输入电机的电磁线圈形成磁场力,利用电磁场和永磁体相斥的特性输出动力,这种能量转换不存在震动,与燃烧燃油相比是静态的实现动能。静态则不会考虑振动与噪音,其动能转化结构也只是简简单单的一组转子轴承,只要电机通电后则能直接旋转,简单的结构也几乎不存在震动,否则轴承会快速的磨损损坏。


那么不用考虑震动以及噪音的电动机则能实现高转速,而且电流形成电磁场、电磁场形成动能的能量转化效率极高,内燃机能实现40%能量转化率就算高水平机器,而电动机能轻松实现90%以上。电流的传输效率高,在高转速时动力不会明显的衰减,而内燃机高转运行会出现进气量下滑导致功率下降。所有有绝对优势的电动机可以轻松实现万转以上的高转速,这种能够依靠发动机自身转速调节车速的电动机,还有必要使用变速箱吗?


理论上是没有必要的,但是电动机由于转速太高如果直接则车速太快,为了把车速控制在合理的区间,所以电动机往往配合一台单速变速箱进行减速,也就是利用1AT自动变速箱将发动机的转速拉低以实现合理的车速。但如果是中低速大扭矩驱动电机则无需变速箱,很多直驱电动大巴车是连减速都没有的,电机转速是多少则能通过车轮直径对应形成多高的转速,这就是电动机的优势所在。


除无噪音、震动、高转速以外,电动机还有恒扭矩的优势,指起步瞬间可以爆发最大扭矩。因为电流的传输速度仅次于光速,踩下油门(电门)的瞬间电流即可达到电动机形成最大扭矩,这点是任何内燃式发动机都做不到的,低扭很强的柴油机也要在1000转以上才能爆发最大扭矩,所以电动机的低速牵引力很强,这也是高铁、无轨电车以及某些类型的特车都以电驱为主的原因。

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