Ingear是一款誕生于加拿大的創(chuàng)新雙速變速器，旨在突破電動汽車的性能和效率限制。



Ingear 變速器在從低速檔向高速檔換檔的過程中，“關(guān)鍵扇區(qū)”從大鏈輪環(huán)、摩斯Hy-Vo靜音鏈條和惰輪機(jī)構(gòu)中滑出。（圖片來源：Inmotive）

長期以來，電動汽車一直為人樂道的優(yōu)點之一，就是擁有極為簡單的動力傳動系統(tǒng)。車輛的牽引電機(jī)和主減速器之間只有一對減速齒輪。這種單速設(shè)計可以提供尚可接受的性能，但同時最大限度地減少材料清單（BoM）和傳動系統(tǒng)的成本。

然而，電動商用車、電動非公路設(shè)備和高性能電動汽車對占空比（duty cycles）的要求越來越高，促進(jìn)了多速解決方案的發(fā)展。特斯拉曾在 2007 年率先推出首部多速電動傳動系統(tǒng)，但結(jié)果并不盡如人意。當(dāng)時，特斯拉僅是一家初具規(guī)模的初創(chuàng)公司，員工也主要是電子工程師，但這家公司卻開發(fā)了自己的雙速變速器并將其應(yīng)用至特斯拉的跑車產(chǎn)品。在這種背景下，發(fā)生災(zāi)難性故障似乎也在意料之中，Elon Musk 隨后也不得不轉(zhuǎn)而采用了一款由里卡多（Ricardo） 公司設(shè)計、博格華納（BorgWarner）公司制造的單速傳動系統(tǒng)。

隨后，保時捷（Porsche）和超跑制造商 Rimac 開始小批量生產(chǎn)雙速電動汽車。寶馬（BMW）也為其 I8 混合動力車搭配了雙速變速器。供應(yīng)商 ZF 則推出了一款緊湊型雙速變速器。此外，一家在 2010 年成立于加拿大多倫多的供應(yīng)商Inmotive 也推出了一種改良版的雙速（也可能是三速）電動汽車變速器解決方案。


Inmotive公司首席執(zhí)行官 Paul Bottero （圖片來源：Inmotive）

Inmotive公司首席執(zhí)行官 Paul Bottero 表示：“我們從全球各地的OEM那里得知，他們對電動汽車雙速變速器的需求與日俱增。這種解決方案可提供更長的續(xù)航里程、更強(qiáng)勁的性能特性，還可以通過縮小電池和電機(jī)的尺寸來降低成本。”Inmotive 公司表示，目前，一些乘用車和商用車廠商已經(jīng)開始評估 Inmotive 的變速器產(chǎn)品 Ingear。

Ingear的設(shè)計概念源自自行車的變速傳動系統(tǒng)，采用了現(xiàn)成的汽車技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的材料和工藝，因此單位成本不到 150 美元。這款產(chǎn)品采用了博格華納摩斯（Morse）倒齒Hy-Vo 靜音鏈條和精密粉末金屬組件，而且摒棄了加壓潤滑系統(tǒng)，轉(zhuǎn)而采用了飛濺式潤滑設(shè)計。

CAE 分析和原型測試表明，與單速變速箱相比，Ingear雙速變速箱結(jié)合一些電機(jī)優(yōu)化，系統(tǒng)效率可提高 7% 至 12%。據(jù) Inmotive公司 CTO Tony Wong 介紹，Ingear 的加速、爬坡和牽引能力提高了 15%。Inmotive 公司已經(jīng)為一輛起亞 Soul EV 安裝了 Ingear 變速箱，用于技術(shù)演示。

Ing
ear 雙速變速器與基準(zhǔn)單速電動汽車的Matlab WLTP能耗模擬比較匯總。（圖片來源：Inmotive）

優(yōu)化電機(jī)尺寸

作為一位狂熱的自行車愛好者，10 年前，Tony Wong 在上下班的路上萌生了 Ingear 的想法。“我在想，自行車在變速時的扭矩傳遞效率比較低。變速器需要將鏈條推到一邊，通常這個過程會導(dǎo)致鏈條稍微有點錯位。”他解釋說，“所以，如果我們不要移動鏈條，而是移動鏈條里面的齒輪呢？鏈輪之間有足夠的空間；如果我們把鏈輪分割為一段段的“扇形”結(jié)構(gòu)，并設(shè)計出一種可以在變速過程中始終保持鏈條與鏈輪齒嚙合的方法呢？”

Wong 將自己的發(fā)明呈現(xiàn)給科技界資深人士 Bottero 并開始一起搜索專利。Ingear 的“秘方”就是他們口中的“關(guān)鍵扇區(qū)”鏈輪組件（現(xiàn)已獲得專利），用于控制鏈條與鏈輪之間的嚙合。“很明顯，自行車變速器肯定不能給汽車用，很快就會被碾碎的。”Wong 指出，“如鏈條行業(yè)所說的那樣，就是這些關(guān)鍵扇區(qū)使我們能夠始終保證鏈條與鏈輪齒之間的同步，即使是在換檔過程中。”

這些組件使Ingear 可以承受汽車應(yīng)用的速度和扭矩負(fù)載。此外，當(dāng)時同時獲得專利的還有一個稱為“定序器”的概念，可以在車輛換檔過程中保證關(guān)鍵“扇區(qū)”可以率先移動。

為了推動Ingear 技術(shù)的商業(yè)化，Bottero、Wong 和另一位同事于 2010 年成立了 Inmotive 公司。“我們在最初五年中致力于工業(yè)應(yīng)用—破碎機(jī)、輸送機(jī)和建筑用暖通空調(diào)風(fēng)機(jī)等設(shè)備。”Bottero 指出，“我們通過這些應(yīng)用驗證了我們的核心理念和技術(shù)。雙速傳動裝置可以在峰值負(fù)載下發(fā)揮作用，允許您調(diào)整電機(jī)的尺寸。”

2015 年，Inmotive 公司的新目標(biāo)是讓 Ingear 更加強(qiáng)勁耐用，適合于汽車應(yīng)用。Wong 說，我們從早期迭代的齒帶傳動過渡到 Hy-Vo 鏈條（應(yīng)用于雪佛蘭 Volt 和大量四輪驅(qū)動分動箱），實現(xiàn)了更高的扭矩密度，“具有極高的耐用性和效率”。Bottero 補(bǔ)充道，“市場已經(jīng)成熟，我們一直認(rèn)為最適合我們的就是電動汽車市場。”


Ingear的差速器處于嵌套狀態(tài)位于齒輪鏈深處。（圖片來源：Inmotive）

鏈輪動力學(xué)

常見的大多數(shù)電動汽車采用兩組螺旋形減速齒輪，車輪每轉(zhuǎn)一圈，電機(jī)對應(yīng)轉(zhuǎn)動大約9圈。Ingear 用 Hy-Vo鏈傳動和一個“變形”鏈輪取代了第二組減速齒輪（如動畫所示）。每次換檔時，車輪每轉(zhuǎn)一圈（約 30 毫秒），執(zhí)行器可以控制五個聯(lián)鎖鏈輪“扇區(qū)”配合到位。

Wong 說，不同的扇區(qū)組合可以構(gòu)成不同的鏈輪尺寸，從而有效地增大或減小傳動比。這些鏈輪“扇區(qū)”可以在硬化鋼銷上自由滑動，類似于注塑設(shè)備中使用的鋼銷。當(dāng)這些扇形塊牢固地鎖定成一個圓時，它們的運(yùn)行起來就和傳統(tǒng)的整體式鏈輪完全相同。由于采用了專利幾何形狀，Ingear 可以保持電機(jī)和車輪速度同步。

在變速過程中，變速器的惰輪（功能類似于撥鏈器惰輪）可以在“扇區(qū)”變形時拉緊松弛的鏈條。“我們的幾何結(jié)構(gòu)經(jīng)過專門設(shè)計，這些’扇區(qū)’無論在高檔速和低檔速時都能完美嚙合。”Wong 說，“我們花了很長時間來確定鏈條的路徑，最后終于成功了。”在從低速向高速的換擋過程中，Ingear 可以傳遞連續(xù)扭矩。

Bottero解釋說，“電機(jī)轉(zhuǎn)速下降得很快，因此整個換擋過程相當(dāng)平穩(wěn)，不易為車內(nèi)乘客察覺。Wong 的團(tuán)隊還開發(fā)了扭矩填充算法，以進(jìn)一步降低換檔對車上人員的影響。此外，換擋過程中消耗的能量越少，電動汽車每次充電后的續(xù)航里程就越長。Inmotive 聲稱，即使在降檔時，Ingear也能持續(xù)進(jìn)行制動再生，使電機(jī)能夠更有效地運(yùn)轉(zhuǎn)，將更多的能量用于車輛前進(jìn)，而不是變成熱量浪費(fèi)掉。


另一個角度下的 Ingear 2 速變速器。（圖片來源：Inmotive）

“貨車制造商正在討論使用我們的雙速變速箱。”Bottero 說，“貨車必須非常高效。首先，受到里程要求的限制，這種車型不可能配備一個超大的發(fā)動機(jī)；其次，它們的負(fù)載有很重，如果采用單速變速器又很難爬坡；另外，這些車輛對價格的控制也很嚴(yán)格，必須保證最終客戶可以獲得可觀的投資回報。Ingear 可以提高車輛的爬坡能力。我們與卡車和客車制造商進(jìn)行的分析表明，我們可以通過采用雙速變速器并優(yōu)化電機(jī)，提高車輛的提高爬坡能力。具體來說，我們可以讓車輛以合理的速度和較低的傳動比爬上 17% 的坡度。”

新的變速器又帶來了有關(guān)傳動比范圍的問題。保時捷 Taycan EV 的雙速行星齒輪采用了短的 15.5:1 低速齒輪以提供最大的加速，長的 8.05:1 的高速齒輪保證最高速度和公路效率。Bottero 和 Wong 表示，Ingear 架構(gòu)可以進(jìn)行擴(kuò)展，從而覆蓋更廣泛的應(yīng)用。

“我們發(fā)現(xiàn)，大約 2:1 的比例可以顯著提高電機(jī)的性能，”Wong 說，“對于更大的卡車和非公路車輛來說，寬闊的檔位分布是必要的，而且總體上應(yīng)該有更多的檔位。這點 Ingear 完全沒有問題。但是對于乘用車和跑車來說，比率為2:1 意味著當(dāng)你在高速公路上行駛時，電動機(jī)可以以半速旋轉(zhuǎn)。這是一個巨大的進(jìn)步。OEM也對我們的提議很滿意。”

Inmotive 公司 CTO Tony Wong 開發(fā)的 Ingear 變速器概念來源于傳統(tǒng)的自行車變速器。（圖片來源：Inmotive）

三速變速器也來了？

正如SAE《汽車工程》報道那樣，電機(jī)的發(fā)展趨勢是不斷提高軸轉(zhuǎn)速。目前，一些新設(shè)計的軸轉(zhuǎn)速可以達(dá)到 20,000 rpm 以上。Wong 說，Ingear雙速變速器可以讓這種高速電機(jī)在較低轉(zhuǎn)速下提供更高的效率。

“我們正在洽談中的廠商都很了解電機(jī)轉(zhuǎn)速提高所帶來的挑戰(zhàn)。”Wong 指出，“轉(zhuǎn)速到 16,000 轉(zhuǎn)/分以上，向心力就會非常大。此時，空氣隙將受到影響。你必須使用非常結(jié)實的軸承。即使是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)也會受到磁場的影響，因此它的機(jī)械強(qiáng)度必須足以承受巨大的向心力。渦流損耗會在電機(jī)高速運(yùn)行時產(chǎn)生阻力和大量熱量，減弱磁場也只能部分減少渦流損耗。

“控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速不要太快對我們來說好處更大。”Wong 斷言，使用雙速變速器有助于讓電機(jī)盡量工作在效率最高的轉(zhuǎn)速下?；緛碚f，額定轉(zhuǎn)速 10,000 rpm 的電機(jī)，最佳轉(zhuǎn)速為 4,000 rpm 左右，但如果采用了變速箱，最佳轉(zhuǎn)速可以適當(dāng)提高。

Wong 解釋說，“我們必須控制電機(jī)的尺寸，使其能夠疏散低轉(zhuǎn)速工作時產(chǎn)生的熱量，進(jìn)入’最佳工作轉(zhuǎn)速’并盡量保持在這個轉(zhuǎn)速下。雙速變速器可以讓電機(jī)下線，轉(zhuǎn)速更快，從而防止發(fā)生過熱的情況。”

如果電動汽車適合使用雙速變速器，那三速變速器是不是更好？Wong 說，Inmotive 公司的分析表明，三速變速器可以將輕型車輛的效率提高“一個百分點”，而四速變速器幾乎不能提高投資回報率。因此，雙速變速器真的非常實惠。”Bottero 聲稱，在量產(chǎn)條件下，汽車廠商需要為 Ingear 支付每車 150 美元的成本，但卻可以通過調(diào)整電池、電機(jī)和逆變器的尺寸，為每輛乘用車節(jié)省超過 1,500 美元。Wong 對 Ingear在 2023 年底投產(chǎn)很有信心。