本文轉(zhuǎn)自知乎用戶“魚非魚”。

■ 先放結(jié)論

一般的內(nèi)燃機低轉(zhuǎn)扭矩小，最大轉(zhuǎn)速低。為了同時滿足起步和極速的情況，變速箱對內(nèi)燃機是必要的。而對電機來說就不是。

內(nèi)燃機的安靜平順的區(qū)間，最大動力輸出的區(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)動機轉(zhuǎn)速和負荷，大大改善內(nèi)燃機汽車的駕駛性。

對于電機來說，這三個區(qū)間都很寬泛，變速箱對改善駕駛性的效果有限，相對于增加變速箱帶來的降低傳動效率，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，電動機的最高轉(zhuǎn)速比一般汽車用的內(nèi)燃機要大得多。

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)動機轉(zhuǎn)速成固定比例。其公式是：

車速 = 發(fā)動機轉(zhuǎn)速 / 減速比 x 車輪半徑 x 2Pi x 60（將每分鐘轉(zhuǎn)速換為每小時轉(zhuǎn)速）/ 1000（將米換為千米）

假設(shè)內(nèi)燃機汽車的最終減速比和輪胎半徑都跟電動汽車一樣，那么電動汽車能夠達到的速度就會比內(nèi)燃機汽車更高。

其次，因為內(nèi)燃機的低轉(zhuǎn)扭矩較差，所以實際起步需要的減速比還要更大，進一步使得內(nèi)燃機汽車沒辦法通過一個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)燃機汽車不需要變速箱。日產(chǎn)Leaf電機最大轉(zhuǎn)速是10390轉(zhuǎn)，最高車速是150kph（公里/時），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)該能達到96.7kph，日本本土高速公路限速90kph，不考慮超速的問題的話，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)動機，比如思域Type-R，馬自達的轉(zhuǎn)子發(fā)動機，以及各種摩托車發(fā)動機，乃至F-1賽車，曲軸轉(zhuǎn)速上萬，跟電機差距并不大，為什么也需要變速箱呢？

首先，輪上扭矩=發(fā)動機輸出扭矩x減速比，減速比越大，發(fā)動機經(jīng)過放大后實際在車輪端輸出的扭矩就越大。發(fā)動機在轉(zhuǎn)速為0的時候扭矩是趨向于0的。所以0轉(zhuǎn)速起步根本就不可能，都需要怠速起步，而且還需要一個比較大的減速比來放大扭矩。但電動機在轉(zhuǎn)速為0的時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，本田思域自動版的1檔變速比是2.666，主減速比是4.437，所以1檔時的最終減速比是2.666x4.437=11.829，明顯高于leaf。那么這個civic在一檔達到的速度值相比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，還是不能夠說明為什么內(nèi)燃機汽車需要那么多前進檔。如果只是為了滿足起步扭矩和最高車速，那么有兩個檔位似乎也夠了。實際上很多內(nèi)燃機汽車測試0-100公里加速的時候，就只用到1檔和2檔。按照無往上面的計算，保時捷911的2檔最終減速比是7.88，相應(yīng)的極速就能夠達到128kph，這個速度完全夠了，為什么還需要3、4、5、6、7檔？這里就牽扯到其他3個原因：

內(nèi)燃機在高轉(zhuǎn)速時的噪音和抖動（NVH）太明顯，所以需要通過變速箱在日常駕駛時用較小的減速避免發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，但汽車用電機即使在高轉(zhuǎn)速時NVH也完全可以接受。

內(nèi)燃機的最大功率曲線變化是很劇烈的，實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，可以通過變速箱，使得發(fā)動機運行的轉(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，不同的動力需求的情況下，將發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和負荷調(diào)整到比較經(jīng)濟的區(qū)間。而電動機的高效區(qū)間相對比較寬泛。

噪音比較好理解，即使內(nèi)燃機汽車可以一直在2檔行駛，那么高速巡航轉(zhuǎn)速也得動輒5、6000轉(zhuǎn)，那個噪音你如果體會過不是特別喜歡速度與激情肯定不會喜歡的。

關(guān)于第二點，我在前面介紹了一個公式，即輪上扭矩=發(fā)動機輸出扭矩x減速比，也就是說，通過變速箱改變最終減速比，可以改變發(fā)動機扭矩放大的倍數(shù)。

還是以保時捷911和特斯拉Model S為例。911 GT3的外特性曲線或說最大扭矩/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)時的近8倍：

我們假設(shè)現(xiàn)在這輛911正在以120公里/小時的時速巡航，那么此時各個檔位對應(yīng)的轉(zhuǎn)速如下：

你作為一個真正的車迷，即使是通勤路上也都是手動模式，此時你非常機智的選擇放在7檔巡航，轉(zhuǎn)速為2324 轉(zhuǎn)，此時噪音和抖動都比較小，燃油經(jīng)濟性也較好。

但突然，旁邊有輛Model S P85向你赤裸裸地發(fā)動了挑釁，這時候要榨取這輛傳奇車型的最大動力，你該怎么辦？

如果你的變速箱這個時候仍然放在7檔，那么即使油門到底，發(fā)動機輸出的扭矩也只有225磅英尺，經(jīng)過變速箱和主減速器的放大，先不考慮傳動效率的損失，到車輪上也不過只有225x2.44=549磅英尺而已?？窟@點扭矩想干翻特斯拉？

如果你迷信發(fā)動機扭矩決定最大加速度的說法，這時候一個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，此時發(fā)動機輸出300磅英尺的扭矩，經(jīng)過變速箱和主減速器的放大，到達車輪上的扭矩有300x5.33=1600磅英尺。

特斯拉Model S P85這個時候發(fā)動機扭矩輸出是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。雖然看起來是Model S P85輪上扭矩牛一點，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

（抱歉這里為了計算方便沒有統(tǒng)一使用公制或英制單位）

不過，其實如果你這么選擇檔位，簡直就是暴殄天物。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)燃機的后勁嗎？

所以，這時候正確的辦法，是直接降到2檔，此時發(fā)動機接近最大功率轉(zhuǎn)速，輸出415馬力，287磅英尺的扭矩，經(jīng)過變速箱和主減速器的放大，到達車輪上的扭矩有287x7.88=2261磅英尺。盡情地嘲笑『早泄』的特斯拉吧！

所以，正是因為有了變速箱，內(nèi)燃機可以根據(jù)車速，改變總減速比，使得不管車速是多少，發(fā)動機轉(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力。（如果是無極變速箱，那甚至可以一直維持在最大功率轉(zhuǎn)速輸出動力）（如果給定檔位，加速度則是由最大扭矩決定的）

我們再來看看特斯拉的外特性曲線，其中紅色的實線和虛線分別是是P85的最大扭矩和功率輸出曲線。因為特斯拉沒有變速箱，只有一個固定減速比，所以橫坐標就是車輛行駛速度（MPH即英里/時），它永遠跟電機轉(zhuǎn)速成固定比例。根據(jù)無往計算，8000轉(zhuǎn)時車速是109公里/時，75MPH也就是120公里時的時候，對應(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，車用動力電機的輸出特性是，在某一轉(zhuǎn)速以前，是等扭矩輸出，之后是等功率輸出，再過了某一點以后，功率也以某種凹曲線形式緩慢下降?？傮w上來看，特斯拉的功率曲線其實也有變化，一般巡航的速度區(qū)間，42-72MPH，也就是68-116公里/時，功率曲線根本是平坦的，也就是說，盡管此時扭矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，但你此時通過變速箱提高檔位，降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速，發(fā)動機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，75MPH，此時輸出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2速變速箱，1檔傳動比是1，2檔傳動比0.6，你現(xiàn)在換到2檔，最終減速比從9.73變?yōu)?.84。轉(zhuǎn)速從8807轉(zhuǎn)降到5284轉(zhuǎn)，對應(yīng)的1檔車速就是75MPH*0.6=45MPH，看起來扭矩增長到了550牛米，但是其實并沒有什么卵用。此時輪上扭矩變成了550x5.84=3211牛米，根本沒什么變化（微弱的變化是因為75MPH時的功率本身略低）。

再來看看輪上扭矩的公式

輪上扭矩=發(fā)動機扭矩*減速比=發(fā)動機扭矩*發(fā)動機轉(zhuǎn)速/車輪轉(zhuǎn)速=發(fā)動機功率/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，你通過減小減速比來增大轉(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，就會輸?shù)暮軕K，但特斯拉Model S起碼在這個速度多個變速箱完全沒卵用。

當(dāng)然，我們從上面那張圖中也能看出，Model S P85的電機的功率曲線也不是完全平坦的，高于72MPH以后，會有緩慢的下降，此時如果有2檔能夠通過降低減速比，降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速，能夠輸出更大的輪上扭矩，但是因為這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，此時如果有一個更低的檔位，可以通過增大減速比，增加發(fā)動機轉(zhuǎn)速，在扭矩不變的情況下，增大扭矩放大倍數(shù)來增加輪上扭矩。

但是，畢竟即使對于低速來說，因為實際上電機已經(jīng)輸出最大扭矩，這個時候的最大加速度已經(jīng)很不錯，再通過變速來進一步增加最大加速度意義也不是很必要，也可能會突破輪胎附著力的極限。如果我們看功率，那么75MPH時的最大功率也只是15MPH時的3倍左右。也就是說，即使有變速器，也最多只能將15MPH時運行最大加速度增大為現(xiàn)在的3倍左右而已（911 GT3如果通過變速，將1500轉(zhuǎn)變成7500轉(zhuǎn)，則是增長近8倍）。

別忘了給定檔位，最大加速度取決于發(fā)動機的最大扭矩，model s在單速變速箱的情況下，20MPH和40MPH能達到最大加速度是一樣的，如果有更低檔位，20MPH能夠達到的最大加速度才可以更大。

當(dāng)然，其實如果為了拼0-400米加速，因為后段會達到比較高的速度（超過150公里/時），所以如果有一個更高的檔位，使得電機轉(zhuǎn)速更低，會顯著改善P85的成績。同樣，如果有一個更低的檔位，配合更好的輪胎和四驅(qū)系統(tǒng)，在起步時也可以達到高的多的加速度。所以一般認為電動車如果有一個3檔變速箱，對性能也會有顯著的改善，據(jù)說特斯拉也曾經(jīng)考慮過配上這樣一個變速箱。

不過呢，增加變速箱不僅僅增加成本，還會帶來額外的效率損失，即使是好的雙離合變速箱，傳動效率也只能做到90%多，而且還增加重量，這樣不但會降低動力，也會增加油耗。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。

最后再來看看燃油經(jīng)濟性。

下面這張圖是本田insight上的1.3升發(fā)動機的BSFC圖，圖中像等高線一樣的圓圈表示的的是每單位（千瓦時）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)速和負載落在300克/千瓦時的等效率線以內(nèi)，而最優(yōu)區(qū)間的燃油消耗率是215克/千瓦時，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，那么此時如果發(fā)動機是以4000轉(zhuǎn)，中低負荷的狀態(tài)運行，輸出30牛米的扭矩，燃油消耗率達到了275克/千瓦時，也就是開一個小時車，要消耗12.6*275=3465g的燃油，也就是4.78升。假設(shè)93號汽油7塊一升，就是33.5塊汽油。

如果通過增加檔位，在2000轉(zhuǎn)運行，此時需要輸出60牛米的扭矩，變成在中高負荷運轉(zhuǎn)，就正好落在內(nèi)燃機最高效的區(qū)間，此時燃油消耗率僅有215克/千瓦時，也就是開一個小時車，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的主電機的經(jīng)濟性圖，等高線的單位變成了電機效率，也就是單位消耗的電量（千瓦時）做的功（千瓦時），數(shù)值越高越好。大部分負載和轉(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。

此時如果我們假設(shè)Prius由電機帶動巡航，需要以26.2kw的功率輸出克服阻力，電機以中高負荷運轉(zhuǎn)在4500轉(zhuǎn)，輸出50牛米，此時電機效率為89%，也就是說，行駛一個小時，消耗的電量是26.2千瓦時/89%=29.4千瓦時。如果通過變速箱，將轉(zhuǎn)速縮減到2250轉(zhuǎn)，以中等負荷運轉(zhuǎn)在最優(yōu)效率區(qū)間，電機效率為94%。此時行駛一個小時，消耗的電量是26.2千瓦時/94%=27.9千瓦時，只節(jié)省了區(qū)區(qū)1.5千瓦時的電量，5%而已。以5毛錢一度電計算，不過才7毛5分錢而已，而且這還是整車以超過前面例子2倍的動力輸出運行的情況下。

所以說，因為電機高效區(qū)間相對寬泛，通過變速箱調(diào)整轉(zhuǎn)速和負載改善燃油經(jīng)濟性的效果也大大減弱了。

■ 總結(jié)一下，為什么電動車沒有變速箱

一般的內(nèi)燃機低轉(zhuǎn)扭矩小，最大轉(zhuǎn)速低。為了同時滿足起步和極速的情況，變速箱對內(nèi)燃機是必要的。而對電機來說就不是。 內(nèi)燃機的安靜平順的區(qū)間，最大動力輸出的區(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)動機轉(zhuǎn)速和負荷，大大改善內(nèi)燃機汽車的駕駛性。對于電機來說，這三個區(qū)間都很寬泛，變速箱對改善駕駛性的效果有限，相對于增加變速箱帶來的降低傳動效率，增加車重，增加成本，升降檔的遲滯，就顯得不夠劃算。