本文轉(zhuǎn)自知乎用戶“魚非魚”。
■ 先放結(jié)論
一般的內(nèi)燃機(jī)低轉(zhuǎn)扭矩小，最大轉(zhuǎn)速低。為了同時(shí)滿足起步和極速的情況，變速箱對(duì)內(nèi)燃機(jī)是必要的。而對(duì)電機(jī)來(lái)說(shuō)就不是。
內(nèi)燃機(jī)的安靜平順的區(qū)間，最大動(dòng)力輸出的區(qū)間，和最省油的區(qū)間都比較狹窄，而且三者互不相同，有了變速箱來(lái)調(diào)整最終減速比，能夠在不同車速下，根據(jù)不同需要，靈活選擇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，大大改善內(nèi)燃機(jī)汽車的駕駛性。
對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)，這三個(gè)區(qū)間都很寬泛，變速箱對(duì)改善駕駛性的效果有限，相對(duì)于增加變速箱帶來(lái)的降低傳動(dòng)效率，增加車重，增加成本，升降檔的遲滯，就顯得不夠劃算。
■ 以下是正文
首先，電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速比一般汽車用的內(nèi)燃機(jī)要大得多。
比如特斯拉Model S的最大轉(zhuǎn)速是16000轉(zhuǎn)，日產(chǎn)老款Leaf（啟辰晨風(fēng)）也有10390轉(zhuǎn)，一般的汽車內(nèi)燃機(jī)紅線轉(zhuǎn)速也就6000轉(zhuǎn)，跑車也就8000轉(zhuǎn)。在單減速比的情況下，車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成固定比例。其公式是：
車速 = 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 / 減速比 x 車輪半徑 x 2Pi x 60（將每分鐘轉(zhuǎn)速換為每小時(shí)轉(zhuǎn)速）/ 1000（將米換為千米）
假設(shè)內(nèi)燃機(jī)汽車的最終減速比和輪胎半徑都跟電動(dòng)汽車一樣，那么電動(dòng)汽車能夠達(dá)到的速度就會(huì)比內(nèi)燃機(jī)汽車更高。
其次，因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)的低轉(zhuǎn)扭矩較差，所以實(shí)際起步需要的減速比還要更大，進(jìn)一步使得內(nèi)燃機(jī)汽車沒辦法通過(guò)一個(gè)減速比匹配行駛需要的速度。
如果只看最高轉(zhuǎn)速和最高車速的關(guān)系的話，也并不能完全解釋為什么內(nèi)燃機(jī)汽車不需要變速箱。日產(chǎn)Leaf電機(jī)最大轉(zhuǎn)速是10390轉(zhuǎn)，最高車速是150kph（公里/時(shí)），本田思域1.8的紅線轉(zhuǎn)速是6700轉(zhuǎn)，如果最終減速比和輪胎半徑一樣的話，最高車速應(yīng)該能達(dá)到96.7kph，日本本土高速公路限速90kph，不考慮超速的問(wèn)題的話，難道日規(guī)思域就不需要變速箱了嗎？
甚至還有些高轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，比如思域Type-R，馬自達(dá)的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，以及各種摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)，乃至F-1賽車，曲軸轉(zhuǎn)速上萬(wàn)，跟電機(jī)差距并不大，為什么也需要變速箱呢？
首先，輪上扭矩=發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩x減速比，減速比越大，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)放大后實(shí)際在車輪端輸出的扭矩就越大。發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為0的時(shí)候扭矩是趨向于0的。所以0轉(zhuǎn)速起步根本就不可能，都需要怠速起步，而且還需要一個(gè)比較大的減速比來(lái)放大扭矩。但電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為0的時(shí)候就可以輸出最大扭矩，不但不需要怠速，而且減速比也可以做得相對(duì)比較小。
日產(chǎn)leaf的最終減速比是8.1938，相比之下，本田思域自動(dòng)版的1檔變速比是2.666，主減速比是4.437，所以1檔時(shí)的最終減速比是2.666x4.437=11.829，明顯高于leaf。那么這個(gè)civic在一檔達(dá)到的速度值相比leaf就還要更低得多。根本沒辦法滿足甚至是道路限速內(nèi)的行駛需要。
僅僅看上面兩點(diǎn)，還是不能夠說(shuō)明為什么內(nèi)燃機(jī)汽車需要那么多前進(jìn)檔。如果只是為了滿足起步扭矩和最高車速，那么有兩個(gè)檔位似乎也夠了。實(shí)際上很多內(nèi)燃機(jī)汽車測(cè)試0-100公里加速的時(shí)候，就只用到1檔和2檔。按照無(wú)往上面的計(jì)算，保時(shí)捷911的2檔最終減速比是7.88，相應(yīng)的極速就能夠達(dá)到128kph，這個(gè)速度完全夠了，為什么還需要3、4、5、6、7檔？這里就牽扯到其他3個(gè)原因：
內(nèi)燃機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)的噪音和抖動(dòng)（NVH）太明顯，所以需要通過(guò)變速箱在日常駕駛時(shí)用較小的減速避免發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，但汽車用電機(jī)即使在高轉(zhuǎn)速時(shí)NVH也完全可以接受。
內(nèi)燃機(jī)的最大功率曲線變化是很劇烈的，實(shí)際上能夠輸出最大功率的區(qū)間很窄。在車速一定的情況下，如果需要急加速，可以通過(guò)變速箱，使得發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速更接近輸出最大功率的轉(zhuǎn)速，從而獲得更大的加速度。
內(nèi)燃機(jī)的高效區(qū)間比較狹窄，所以需要變速箱，在不同的車速，不同的動(dòng)力需求的情況下，將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷調(diào)整到比較經(jīng)濟(jì)的區(qū)間。而電動(dòng)機(jī)的高效區(qū)間相對(duì)比較寬泛。
噪音比較好理解，即使內(nèi)燃機(jī)汽車可以一直在2檔行駛，那么高速巡航轉(zhuǎn)速也得動(dòng)輒5、6000轉(zhuǎn)，那個(gè)噪音你如果體會(huì)過(guò)不是特別喜歡速度與激情肯定不會(huì)喜歡的。
關(guān)于第二點(diǎn)，我在前面介紹了一個(gè)公式，即輪上扭矩=發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩x減速比，也就是說(shuō)，通過(guò)變速箱改變最終減速比，可以改變發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩放大的倍數(shù)。
還是以保時(shí)捷911和特斯拉Model S為例。911 GT3的外特性曲線或說(shuō)最大扭矩/功率曲線如下圖（lb·ft即磅英尺，跟牛頓米一樣，是一個(gè)扭矩單位），可以看出，隨著轉(zhuǎn)速不同，911 GT3的功率變化是巨大的，7500轉(zhuǎn)左右輸出的功率是1450轉(zhuǎn)時(shí)的近8倍：
我們假設(shè)現(xiàn)在這輛911正在以120公里/小時(shí)的時(shí)速巡航，那么此時(shí)各個(gè)檔位對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速如下：
你作為一個(gè)真正的車迷，即使是通勤路上也都是手動(dòng)模式，此時(shí)你非常機(jī)智的選擇放在7檔巡航，轉(zhuǎn)速為2324 轉(zhuǎn)，此時(shí)噪音和抖動(dòng)都比較小，燃油經(jīng)濟(jì)性也較好。
但突然，旁邊有輛Model S P85向你赤裸裸地發(fā)動(dòng)了挑釁，這時(shí)候要榨取這輛傳奇車型的最大動(dòng)力，你該怎么辦？
如果你的變速箱這個(gè)時(shí)候仍然放在7檔，那么即使油門到底，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩也只有225磅英尺，經(jīng)過(guò)變速箱和主減速器的放大，先不考慮傳動(dòng)效率的損失，到車輪上也不過(guò)只有225x2.44=549磅英尺而已。靠這點(diǎn)扭矩想干翻特斯拉？
如果你迷信發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩決定最大加速度的說(shuō)法，這時(shí)候一個(gè)很明顯的選擇是直接降到3檔，轉(zhuǎn)速瞬間上升到5074 轉(zhuǎn)，接近最大扭矩轉(zhuǎn)速，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出300磅英尺的扭矩，經(jīng)過(guò)變速箱和主減速器的放大，到達(dá)車輪上的扭矩有300x5.33=1600磅英尺。
特斯拉Model S P85這個(gè)時(shí)候發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出是325牛米也就是240磅英尺，乘以9.73的最終減速比，是240x9.73=2332鎊英尺。雖然看起來(lái)是Model S P85輪上扭矩牛一點(diǎn)，但是別忘了它沉啊。P85 S重2140kg，但你911 GT3只有1430kg啊，1600/1430=1.12明顯大于后者的2332/2140=1.09，你立即取得微弱的優(yōu)勢(shì)
（抱歉這里為了計(jì)算方便沒有統(tǒng)一使用公制或英制單位）
不過(guò)，其實(shí)如果你這么選擇檔位，簡(jiǎn)直就是暴殄天物。你可是911 GT3！碰上這種不知天高地厚的后生，難道不應(yīng)該教訓(xùn)一下他什么叫做內(nèi)燃機(jī)的后勁嗎？
所以，這時(shí)候正確的辦法，是直接降到2檔，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)接近最大功率轉(zhuǎn)速，輸出415馬力，287磅英尺的扭矩，經(jīng)過(guò)變速箱和主減速器的放大，到達(dá)車輪上的扭矩有287x7.88=2261磅英尺。盡情地嘲笑『早泄』的特斯拉吧！
所以，正是因?yàn)橛辛俗兯傧?，?nèi)燃機(jī)可以根據(jù)車速，改變總減速比，使得不管車速是多少，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速都可以盡量接近最大功率的轉(zhuǎn)速，從而盡可能輸出更多動(dòng)力。（如果是無(wú)極變速箱，那甚至可以一直維持在最大功率轉(zhuǎn)速輸出動(dòng)力）（如果給定檔位，加速度則是由最大扭矩決定的）
我們?cè)賮?lái)看看特斯拉的外特性曲線，其中紅色的實(shí)線和虛線分別是是P85的最大扭矩和功率輸出曲線。因?yàn)樘厮估瓫]有變速箱，只有一個(gè)固定減速比，所以橫坐標(biāo)就是車輛行駛速度（MPH即英里/時(shí)），它永遠(yuǎn)跟電機(jī)轉(zhuǎn)速成固定比例。根據(jù)無(wú)往計(jì)算，8000轉(zhuǎn)時(shí)車速是109公里/時(shí)，75MPH也就是120公里時(shí)的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速大概是120/109x8000=8807轉(zhuǎn)，其他速度也可以以此類推。
從這張圖我們也能夠看出，車用動(dòng)力電機(jī)的輸出特性是，在某一轉(zhuǎn)速以前，是等扭矩輸出，之后是等功率輸出，再過(guò)了某一點(diǎn)以后，功率也以某種凹曲線形式緩慢下降?？傮w上來(lái)看，特斯拉的功率曲線其實(shí)也有變化，一般巡航的速度區(qū)間，42-72MPH，也就是68-116公里/時(shí)，功率曲線根本是平坦的，也就是說(shuō)，盡管此時(shí)扭矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，但你此時(shí)通過(guò)變速箱提高檔位，降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩上升的因素和減速比下降的因素彼此抵消，根本不能夠達(dá)到增加輸出的目的。
還是以剛才高速上飆車的故事為例，假設(shè)你現(xiàn)在變成了那輛發(fā)起挑釁的Model S P85的車主，行駛速度是120公里/時(shí)，75MPH，此時(shí)輸出325牛米的扭矩，300千瓦的馬力，輪上扭矩是325x9.73=3162牛米。
現(xiàn)在假設(shè)特斯拉Model S P85突然多了一個(gè)2速變速箱，1檔傳動(dòng)比是1，2檔傳動(dòng)比0.6，你現(xiàn)在換到2檔，最終減速比從9.73變?yōu)?.84。轉(zhuǎn)速?gòu)?807轉(zhuǎn)降到5284轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)的1檔車速就是75MPH*0.6=45MPH，看起來(lái)扭矩增長(zhǎng)到了550牛米，但是其實(shí)并沒有什么卵用。此時(shí)輪上扭矩變成了550x5.84=3211牛米，根本沒什么變化（微弱的變化是因?yàn)?5MPH時(shí)的功率本身略低）。
再來(lái)看看輪上扭矩的公式
輪上扭矩=發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩*減速比=發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩*發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/車輪轉(zhuǎn)速=發(fā)動(dòng)機(jī)功率/車輪轉(zhuǎn)速
給定速度，車輪轉(zhuǎn)速一定，功率大小與輪上扭矩成正比。如果最大功率不隨轉(zhuǎn)速改變，你通過(guò)減小減速比來(lái)增大轉(zhuǎn)速就是『然并卵』
所以，如果911 GT3沒有變速箱，減速比只能固定在7檔的水平，就會(huì)輸?shù)暮軕K，但特斯拉Model S起碼在這個(gè)速度多個(gè)變速箱完全沒卵用。
當(dāng)然，我們從上面那張圖中也能看出，Model S P85的電機(jī)的功率曲線也不是完全平坦的，高于72MPH以后，會(huì)有緩慢的下降，此時(shí)如果有2檔能夠通過(guò)降低減速比，降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，能夠輸出更大的輪上扭矩，但是因?yàn)檫@種高速本身也不常用，所以意義不大。
同樣的，雖然在42 MPH以下功率隨轉(zhuǎn)速上升，此時(shí)如果有一個(gè)更低的檔位，可以通過(guò)增大減速比，增加發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在扭矩不變的情況下，增大扭矩放大倍數(shù)來(lái)增加輪上扭矩。
但是，畢竟即使對(duì)于低速來(lái)說(shuō)，因?yàn)閷?shí)際上電機(jī)已經(jīng)輸出最大扭矩，這個(gè)時(shí)候的最大加速度已經(jīng)很不錯(cuò)，再通過(guò)變速來(lái)進(jìn)一步增加最大加速度意義也不是很必要，也可能會(huì)突破輪胎附著力的極限。如果我們看功率，那么75MPH時(shí)的最大功率也只是15MPH時(shí)的3倍左右。也就是說(shuō)，即使有變速器，也最多只能將15MPH時(shí)運(yùn)行最大加速度增大為現(xiàn)在的3倍左右而已（911 GT3如果通過(guò)變速，將1500轉(zhuǎn)變成7500轉(zhuǎn)，則是增長(zhǎng)近8倍）。
別忘了給定檔位，最大加速度取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩，model s在單速變速箱的情況下，20MPH和40MPH能達(dá)到最大加速度是一樣的，如果有更低檔位，20MPH能夠達(dá)到的最大加速度才可以更大。
當(dāng)然，其實(shí)如果為了拼0-400米加速，因?yàn)楹蠖螘?huì)達(dá)到比較高的速度（超過(guò)150公里/時(shí)），所以如果有一個(gè)更高的檔位，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速更低，會(huì)顯著改善P85的成績(jī)。同樣，如果有一個(gè)更低的檔位，配合更好的輪胎和四驅(qū)系統(tǒng)，在起步時(shí)也可以達(dá)到高的多的加速度。所以一般認(rèn)為電動(dòng)車如果有一個(gè)3檔變速箱，對(duì)性能也會(huì)有顯著的改善，據(jù)說(shuō)特斯拉也曾經(jīng)考慮過(guò)配上這樣一個(gè)變速箱。
不過(guò)呢，增加變速箱不僅僅增加成本，還會(huì)帶來(lái)額外的效率損失，即使是好的雙離合變速箱，傳動(dòng)效率也只能做到90%多，而且還增加重量，這樣不但會(huì)降低動(dòng)力，也會(huì)增加油耗。所以為了大多數(shù)人并不在意的極限性能而增加變速箱，似乎沒有什么必要。
最后再來(lái)看看燃油經(jīng)濟(jì)性。
下面這張圖是本田insight上的1.3升發(fā)動(dòng)機(jī)的BSFC圖，圖中像等高線一樣的圓圈表示的的是每單位（千瓦時(shí)）做功消耗的燃油量（克），數(shù)值越低越好。大概能看出，大部分轉(zhuǎn)速和負(fù)載落在300克/千瓦時(shí)的等效率線以內(nèi)，而最優(yōu)區(qū)間的燃油消耗率是215克/千瓦時(shí)，前者是后者的1.4倍。
那么如果現(xiàn)在車輛在巡航狀態(tài)，需要以12.6千瓦的功率克服阻力，那么此時(shí)如果發(fā)動(dòng)機(jī)是以4000轉(zhuǎn)，中低負(fù)荷的狀態(tài)運(yùn)行，輸出30牛米的扭矩，燃油消耗率達(dá)到了275克/千瓦時(shí)，也就是開一個(gè)小時(shí)車，要消耗12.6*275=3465g的燃油，也就是4.78升。假設(shè)93號(hào)汽油7塊一升，就是33.5塊汽油。
如果通過(guò)增加檔位，在2000轉(zhuǎn)運(yùn)行，此時(shí)需要輸出60牛米的扭矩，變成在中高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，就正好落在內(nèi)燃機(jī)最高效的區(qū)間，此時(shí)燃油消耗率僅有215克/千瓦時(shí)，也就是開一個(gè)小時(shí)車，要消耗12.6*215=2709g的燃油，也就是3.74升，節(jié)省油耗22%。同樣假設(shè)93號(hào)汽油7塊一升，就是26.2塊汽油，足足省了7塊3。
下圖則是二代prius的主電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性圖，等高線的單位變成了電機(jī)效率，也就是單位消耗的電量（千瓦時(shí)）做的功（千瓦時(shí)），數(shù)值越高越好。大部分負(fù)載和轉(zhuǎn)速都落在89%等效率線以內(nèi)。而最優(yōu)區(qū)間效率超過(guò)94%。換算成單位做功消耗電量，也就是112.4%和106.4%，前者是后者的1.056倍。
此時(shí)如果我們假設(shè)Prius由電機(jī)帶動(dòng)巡航，需要以26.2kw的功率輸出克服阻力，電機(jī)以中高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)在4500轉(zhuǎn)，輸出50牛米，此時(shí)電機(jī)效率為89%，也就是說(shuō)，行駛一個(gè)小時(shí)，消耗的電量是26.2千瓦時(shí)/89%=29.4千瓦時(shí)。如果通過(guò)變速箱，將轉(zhuǎn)速縮減到2250轉(zhuǎn)，以中等負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)在最優(yōu)效率區(qū)間，電機(jī)效率為94%。此時(shí)行駛一個(gè)小時(shí)，消耗的電量是26.2千瓦時(shí)/94%=27.9千瓦時(shí)，只節(jié)省了區(qū)區(qū)1.5千瓦時(shí)的電量，5%而已。以5毛錢一度電計(jì)算，不過(guò)才7毛5分錢而已，而且這還是整車以超過(guò)前面例子2倍的動(dòng)力輸出運(yùn)行的情況下。
所以說(shuō)，因?yàn)殡姍C(jī)高效區(qū)間相對(duì)寬泛，通過(guò)變速箱調(diào)整轉(zhuǎn)速和負(fù)載改善燃油經(jīng)濟(jì)性的效果也大大減弱了。
■ 總結(jié)一下，為什么電動(dòng)車沒有變速箱
一般的內(nèi)燃機(jī)低轉(zhuǎn)扭矩小，最大轉(zhuǎn)速低。為了同時(shí)滿足起步和極速的情況，變速箱對(duì)內(nèi)燃機(jī)是必要的。而對(duì)電機(jī)來(lái)說(shuō)就不是。 內(nèi)燃機(jī)的安靜平順的區(qū)間，最大動(dòng)力輸出的區(qū)間，和最省油的區(qū)間都比較狹窄，而且三者互不相同，有了變速箱來(lái)調(diào)整最終減速比，能夠在不同車速下，根據(jù)不同需要，靈活選擇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，大大改善內(nèi)燃機(jī)汽車的駕駛性。對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)，這三個(gè)區(qū)間都很寬泛，變速箱對(duì)改善駕駛性的效果有限，相對(duì)于增加變速箱帶來(lái)的降低傳動(dòng)效率，增加車重，增加成本，升降檔的遲滯，就顯得不夠劃算。
