自动变速箱开发到底有多难？看完本文你就知道了

自动变速箱一直是国产汽车最大的瓶颈和“痛点”，早期国产汽车的变速箱一直被三菱控制，到后来丰田爱信、德国采埃孚等一批变速箱厂家也对国内开放了市场，再到后来国产汽车开始自己研发变速箱。“从无到有”经历了重重困难和阻碍。

自动变速箱的工作原理视频

十年前，得不到自主整车企业的带动，我国自动变速器的发展寸步难行。不过现在，自主品牌车企自动挡整车总体销量每年以10％的幅度快速增长。这为自主自动变速器提供了产业化空间。

一大批自动变速器迅速成长，成为了可以和爱信、采埃孚等全球知名变速器品牌同场竞技的优质企业。

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起步晚，差距大，但进步快

长期以来，国内自动变速器严重依赖进口和外资供应商，这主要是因为国内外开展自动变速器技术研究的时间相差非常大。

一般认为，国外自动变速器的研究开始于1937年，以通用把自动变速器安装在奥兹莫比尔汽车上为标志。而国内自动变速器的研究是从本世纪初才开始的，相比之下有70年的差距。

我们开始研究自动变速器时，这一领域的人才储备、产业链、核心技术和行业标准等方面都基本处于空白状态。

中国市场上的自动变速器曾经都是通过合资企业从国外引进的技术。

经过十多年的自主创新，国内自动变速器产业已经取得了非常大的进步。以盛瑞为代表的一些企业，在8AT技术上取得了产业化突破。

吉利、长城的7速双离合变速器（7DCT）也在去年实现了产业化。可以说，最近十年来，自动变速器是中国汽车技术创新中最活跃的领域，也是成效最显著的领域。

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变速器的功能

变速器的重要性在于它是汽车上不可或缺的一个总成。

汽车的行驶工况非常复杂，现在汽车的最高车速可以达到每小时200公里，还有速度更高的车型；而在怠速工况下，车速只有每小时5-6公里，最低车速和最高车速之间的跨度是40倍。

发动机在怠速状态下转速约为每分钟800转，在车辆行驶中最高转速大概可达每分钟6500转左右，高低转速之间的跨度是8倍。

如果用发动机直接驱动，其转速和扭矩特性并不能满足汽车的行驶需求。所以必须要有一个变速机构，把发动机的转速和扭矩进行适当地调节，使其满足行驶需求。

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为什么说自动变速器的开发能力是车企的核心竞争力

变速器是汽车动力总成的核心部件，行业普遍认为自动变速器是汽车上技术含量最高、最复杂的产品之一。

自动变速器是传统动力总成中重要的组成部分，也是一直困扰中国汽车产业的核心技术之一。

变速器的技术水平在很大程度上决定了整车的技术水平。

变速器的研发投入巨大，动辄需要几十亿、上百亿研发资金；同时研发周期非常长，全新变速器的开发需要5-7年；而且车用变速器的应用还有非常高的技术门槛，整车企业把变速器视为核心总成来看待，技术不过关的变速器根本拿不到车企的订单。

变速器的价值在于，作为核心部件，它在很大程度上决定着汽车动力性、经济性和可靠性等关键技术指标，因此变速器是汽车产品核心竞争力的体现。

很多企业都把变速器作为自己的核心竞争力，将其打造为技术品牌的标签。比如，一提到大众汽车，大家立刻就会想到其双离合器自动变速器。

变速器能把发动机的动力非常平稳、高效地传递出去，是最重要的传动机构之一。

对车企来说，自动变速器的开发能力不仅仅是设计，还要制造出来，这涉及到制造工艺的复杂技术问题。

还要看供应商能不能为变速器总装厂提供质量合格、技术达标的零部件，这又涉及到整个配套产业链的技术水平和工艺装备能力问题。

最终，生产出变速器之后，要与发动机以及整车进行匹配标定和系统集成。

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自动变速器难在哪？

变速器其实不是简单的零部件，而是一个总成，是一个传动机构。

变速器技术涉及面非常广，与理工科的多个基础学科都相关。变速器研发既有设计方案上的难点，更有制造工艺上的难点。

自动变速器绝对不是简单的机械传动装置，而是机电液控四位一体的复杂系统。它既涉及到基本原理和方案设计，也涉及到原材料和制造工艺，还涉及到关键零部件的研发；同时，变速器的软硬件都制造出来、装配起来之后，还需要有效集成，其最终性能又牵涉到电控系统的优化问题。

显然，自动变速器产业不是简单依靠变速器的开发人员和工程技术人员就能做好的，这实际上是中国整个工业水平的缩影。

中国自动变速器起步比较晚，但更重要的是，自动变速器涉及到了整个制造业的方方面面，是一个集大成的产品，不是单点突破就能实现全面赶超的。

车用变速器的工作要求苛刻：既要把动力传递出去，又要让驾乘者有良好的体验；既要高效率，又要低成本和小尺寸，同时还要满足耐久性以及NVH性能的指标。

变速器产业化涉及到机械、液压、电子等各种各样的零部件，一条年产30万台变速器的生产线，必须保证每一台下线的产品都是合格的。

而且变速器的使用寿命要按照30万公里设计，以确保汽车行驶30万公里内的换挡品质不会变差，这对变速器出厂时品质的一致性要求极高。

由于机械零件使用一定时间后必然会有磨损，造成零件之间的间隙变大，要在这种情况下保持变速器的工作状态如同新出厂时一样，难度可想而知。

这也正是自动变速器研发和产业化的难点所在。

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国内外自动变速器产业的差距

应该说，从原理设计一直到试制样机的性能我们都与国外水平相当，无论是创新能力，还是性能表现，自主变速器的水平都并不输给国外产品了。然而一旦量产，产品的一致性以及最终安装在车上的实际效果就不尽如人意了，根本原因还是在于产业化的能力不足。

一是零部件的供应。国内自动变速器的很多关键零部件还需依赖国外供应商提供，比如CVT最核心的零部件钢带，DCT的双离合器模块，还有一些电控机构如TCU（Transmission Control Unit，自动变速器控制单元）等，都是掌握在少数国外企业手中。而国内供应商，无论是零部件的配套能力，还是技术水平和质量管理水平，都还有不小的差距。

二是自动变速器和发动机、整车的集成与协同控制能力，这方面也有比较大的差距。

变速器研发与发动机和整车集成的关系十分密切。而发动机的控制器ECU还掌握在外资企业手中，很多核心能力我们还不具备。要知道在变速器和发动机匹配标定的过程中，如何把变速器的性能发挥到最好，这不只是变速器自身的问题。

比如换挡的时候，发动机扭矩需要进行变化，发动机能不能快速响应扭矩变化的需求，直接决定换挡的时间，也影响开车时的驾乘感受。如果发动机不能优化调整，变速器的匹配标定就会受影响。

动力总成与整车的集成也会遇到类似的问题。也就是说，由于我们在发动机和整车控制方面存在短板，影响了变速器和发动机以及整车集成以后的整体性能，导致我们的变速器表现得好像要差一些。

如何把发动机加变速器的动力总成集成、协调和控制好，在这方面国内外还有明显的差距。毕竟国外的自动变速器研究已经有八九十年的历史，而中国只有十多年的时间，积累远远不够。

产业化能力的强弱不是简单地能不能把产品造出来的问题，而是体现在各个关键零部件上。对整车而言，变速器是零部件，而对变速器而言，里面还包含很多零部件。这其中不少关键零部件都依赖进口或者由外资企业提供，也就是说，国内尚未形成强大完整的自动变速器产业链。

零部件都买来了之后，还要组装到一起，这就需要集成能力，而我们在这方面也比较弱。集成能力既与变速器和发动机、整车之间的有效匹配相关，更取决于电子控制的技术水平，也可以说是一个电控问题。

电控可以分为硬件系统和软件系统，在变速器电控硬件和软件系统上，国内与国外先进水平相比都有差距。硬件系统首要的就是变速器控制器TCU，此外包括电磁阀、传感器、线束等也很重要，像电磁阀的响应速度会直接影响换挡速度和动力响应。整个硬件系统，我们都有明显差距。

软件系统主要分为底层软件和应用层软件，底层软件又是和TCU连在一起。目前我国在软件核心功能如安全控制、故障模式等方面缺乏经验，尚需要较长时间的积累。

而在应用层软件中，国内自主企业的开发和匹配标定都已经做得不错了，完全可以自主研发。目前的难点就在于如何实现变速器与发动机及整车的有效匹配和集成。与国外先进软件系统相比，在控制策略的精细程度上，国内还需要做得更细致。

电子控制的覆盖面太广泛了：既有变速器电控TCU，也有发动机电控ECU，还有整车电控VCU；既涉及硬件的性能和品质，也涉及软件的控制逻辑、复杂度以及提供支撑的数据库。

每一个问题都要解决，单个问题解决之后，还要解决系统整合的问题，各子系统的集成、不同控制系统之间的互动等，都是非常复杂的。而所有这些加在一起，最终体现为变速器产品的市场竞争力。

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变速器的分类和评价指标

现在产业化的自动变速器有四大类：

第一类是AT（液力自动变速器）

第二类是AMT（机械自动变速器）

第三类是CVT（无级变速器）

最后一类是DCT（双离合器变速器）

这四种类型的自动变速器结构和工作原理都不一样，各有优缺点，适合的车型也不相同。它们的核心零部件既有共性的又有个性的。

中国的汽车市场太大了，目前年销量已经接近3000万辆。在这么大的市场里，各种车型都会有空间，所以中国自动变速器市场肯定也会是多种技术路线同时发展的格局，不可能某一种类型的自动变速器在所有车型上都广泛使用。

评价变速器有几十个关键技术指标。其中，最核心的评价指标有四个：

a. 传动效率

b. 轻量化设计，轻量化与功率密度、扭矩密度息息相关

c. 是换挡品质，要保证换挡具有良好的平顺性，无论是动态还是静态

d. NVH（Noise Vibration Harshness，噪声振动）性能

从传动效率的角度讲，单独看最高传动效率没有意义，要看变速器在循环过程中的综合效率。

综合效率反映了机械、液压、电控系统的综合技术水平，包括变速器与发动机、整车匹配标定和系统集成的技术水平。

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不同类型自动变速器特点和优缺点

概括来讲，AT的优点是扭矩范围非常广，所以可以适合各种类型的车型。但是AT采用行星排结构，比较复杂，同时国内行星排的产业化基础相对比较薄弱。

相比之下，AMT是在手动变速器的基础上，增加了一套机械装置来实现自动换挡，而国内有传统手动变速器的产业基础，但是在控制技术上仍然较为薄弱。另外，由于AMT在换挡过程中有动力中断，乘用车消费者通常不太接受，它适用于价格偏低的入门级车型。

CVT的原理是通过摩擦实现传动，因此CVT本身的传动效率在四种变速器中是最低的。但是它可以实现无级变速，能够尽可能地去贴近发动机的最佳工作曲线，所以这种变速器与发动机集成在一起，作为动力总成的整体效率还是可以的。

不过CVT有一个很大的缺点，就是最大扭矩受到限制，目前最好的CVT扭矩大致可以做到400牛米，更适合于中小排量的车型。

DCT采用了一个双离合器模块，通过交替传动完成换挡，其优点是换挡更快捷。不过DCT的结构总体上不比AT简单，虽然很多人认为它更简单，其实由于它有双离合器模块，还有一套液压模块，结构是比较复杂的。

DCT的扭矩范围比较宽，搭载DCT变速器的跑车在极限工况下可以传递大约1000牛米的扭矩，在乘用车上DCT的最大扭矩通常约为500-600牛米，干式DCT要比湿式DCT传递的扭矩更小一些，所以DCT适用的汽车类型比较多。但是DCT不太可能应用到大型商用车上，主要是因为双离合模块摩擦生热的问题较难解决。

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自动变速器开发的主要流程和技术关键点

首先，变速器开发先要进行方案设计。

好的方案直接决定着变速器的结构、成本和关键技术指标。比如在结构上，通常有三个行星排或者四个行星排传动可选，同时有5个换挡元件可选，这样要设计一款8挡或者9挡自动变速器，排列组合下来就会有数十亿、上百亿个方案可选，要在这里面找到最优或者较优的方案是很难的，因为这同时涉及到机械结构、运动学和动力学等多学科的相关技术问题。

其次，进行变速器的寿命和轻量化开发时，需要用不同类型的材料，包括金属材料、复合材料，这又涉及到材料科学的很多问题。

再次，变速器的核心技术指标是传动效率，要提高效率就要研究摩擦学的很多科学及工程技术问题。

最后，自动变速器是机电液控一体化的系统，除了机械、液压之外，还涉及到控制科学和计算机科学等领域的问题。因此，变速器涉及到理工科的众多基础学科，要设计开发出一款优秀的变速器产品需要多领域的基础理论提供支撑。

在设计开发变速器的过程中，包括机械系统、液压系统、电控系统等各个方面的工程技术问题，都需要一一攻克。

总之，一款变速器从开发到量产，是一个从基础研究到工程技术、制造技术，再到试验测试技术，最后到整车标定匹配等支撑技术的完整过程，这些环节缺一不可，只要有一点没有突破，就无法做出优质的变速器产品。

在设计阶段，最大的难点就是方案设计。因为变速器作为核心技术，跨国公司建立了很多的技术壁垒，包括知识产权方面的布局。

跨国公司围绕自动变速器注册了很多专利，这些注册过专利的结构和方案就不能再用了。所以在开发之前，我们还必须对现有变速器的专利进行系统的研究。例如6挡及以上的AT，比较好的传动方案差不多都已经被跨国公司注册了专利。

核心技术都被专利保护起来了。如果买图纸跟着它们的方案来做，是永远也超越不了国外技术的。因此一定要有新的理论、新的方法、新的技术手段去突破国外专利的封锁，创新提出全新的方案，这是自动变速器攻关中非常困难的一点。

自动变速器既涉及到基本的机械结构，也涉及到材料，更涉及到液压、传动、电控和制造，所有这些技术共同构成了自动变速器的产品竞争力，最终体现为性能、效率、噪声、重量、体积等技术指标。

国外专利保护的6AT技术主要是三自由度的行星齿轮机构，这种结构下较好的技术方案都被国外专利封锁了。

挡位越多，变速器的速比范围就越宽，也就可以和发动机有更好的匹配，从而更大地降低燃油消耗。基本上变速器每增加一个挡位，可额外节油3%。从6AT到8AT增加了两个挡位，意味着可以多节油6%。

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电动汽车时代需不需要多挡变速器？

电动车本身仍然需要变速器。只是不会像传统汽车一样需要那么多个挡位，因为电机特性确实比较好。电动乘用车用2-3挡变速器，电动公交车用3-4挡变速器，即可获得良好的能耗经济性，而且结构也比较简单，性价比很好。

之前很多人都认为，电动乘用车不需要换挡，所以一开始的时候，企业采用的都是单级减速器。未来，随着电动车产业的发展日趋成熟、竞争日益激烈，我认为越来越多的电动乘用车产品一定会使用2-3个挡位的自动变速器。至于具体采用哪种换挡技术，不同的企业将按照自身的技术背景和产品定位，选择不同的技术路线。

即使进入纯电动时代，电机也不是万能的。电机有其优点，也有其缺点。由于汽车的行驶工况是多样的，电机仍然需要与变速器有效配合，才能规避缺点，同时最大化地发挥优点，实现节能、高效的动力传递。

而且这种组合还可以提高传动的扭矩和功率范围，从而更好地满足用户在各种工况下的使用需求。所以，变速器在纯电动车上并不会消失，也不会变成简单的单级减速器。

当然对乘用车而言，太多挡位也没有必要，毕竟电机的调速范围很大，本身适应能力很强。过多挡位的变速器改善能耗的效果有限，且结构复杂、成本激增。综合衡量，对于电动乘用车，2-3挡自动变速器是最合适的。

因此，搭载于电动车的变速器绝对不是以往的变速器，它将更简单。同时，因为要在动力传输不中断的情况下实现换挡，所以需要更强的电控能力与之配合。而对于负荷大的电动商用车而言，所需挡位更多，效率改善空间更大。

总之，并不是说电动车就不需要变速器了。在电动车上，变速器可以让电机的性能得到最大化地发挥，作用仍然很重要。

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电气化时代对传统变速器提出哪些新要求？

动力总成电气化和整车电动化是不可逆转的大趋势，变速器必须适应这种发展趋势。我认为，变速器适应动力总成电气化的改变主要有三个层面：

第一，变速器关键零部件和执行机构的电气化。例如，无论是传统变速器，还是用于混动车型的变速器，过去是机械泵，今后都可以用电子泵来代替，或者电子泵和机械泵协同，以提高效率；过去液压控制的换挡执行机构，则可以用电控的换挡执行机构代替。

第二，变速器整机的电气化。这主要是指混动车型的变速器，不管采用什么混动结构和形式，包括串联、并联或混联，都需要在变速器里集成一个或两个电机，来实现变速器和发动机、电池之间的动力耦合。

第三，变速器与发动机以及整车的集成要在系统层面上实现电控协同。

在动力总成全面电气化的转变过程中，变速器和发动机更需要有效协同。现在很多变速器还是在原来基础上改良的，属于嫁接模式，无论性能还是成本都不可能理想，只能作为阶段性的过渡产品，未来产业需要真正为混动车型专门开发的变速器。

在混动车型上，变速器一方面要把发动机的效率发挥到极致，另一方面又要规避传统机械式变速器的复杂结构，以降低成本。

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变速器的未来发展趋势

从技术路线来讲，变速器的发展主要有四个方向：

一是传统的自动变速器，要持续优化，追求多挡化、高效化、电动化、轻量化以及更宽的速比；

二是混合动力的变速器，要研究满足不同类型或者不同混合比的变速器，无论是Add-On也好，还是DHT也好，都要满足各种驱动类型混动汽车的需求；

三是纯电动的变速器，大方向就是电机、电控、变速器高度一体化的集成；

四是解决超越现有技术的新问题，比如在纯电动汽车上，当电机转速达到每分钟20000-30000转的时候，再用齿轮传动可能就会有问题，因为受机械加工精度水平的限制，很难做出如此高精度的齿轮。

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电动汽车变速器的机遇和挑战

目前电机的最高转速可以达到每分钟15000-16000转，未来电机的转速可能是每分钟20000-30000转，而发动机的最高转速只有每分钟6500转。电机的这种高转速带来的NVH问题，是电动车变速器必须解决的关键问题之一。

此外，高转速还意味着变速器的润滑和密封都面临巨大的挑战。还有轴承，转速每分钟6500转和15000转对轴承的要求差别是巨大的。

纯电动车需要的绝不是“拿来主义”的传统变速器，因为电动车的自身特点、使用环境和性能要求都与传统汽车完全不同，这也给变速器带来了新的技术难题。所以，必须从现在开始谋划和布局，进行重点攻关。否则一旦电动车普及了，我们又会遭遇结构、材料、工艺、控制等一系列的“老”问题，还是会陷入落后局面。

同时，变速器内在的核心技术有很大的共同性，最终都是要围绕着机电液控四位一体来攻克核心技术难题。

预测，到2035年，新能源汽车和传统汽车可能是平分天下的状态。因此，未来变速器技术既要满足传统汽车的需求，又要满足混合动力汽车的需求，还要满足纯电动汽车的需求，而且纯电驱动还分动力电池和燃料电池等不同形式。

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混动专用变速器

现在有一种思路就是在现有变速器的基础上，通过增加电机来实现混动化，就是大家所说的Add-On即附加方式，无论是把电机放在什么位置，包括P1、P2、P3、P4构型也好，或者这几种构型的组合也好，本质上都属于Add-On方式。总的来说，这一类变速器在节能上虽有效果，但肯定不是最好的。

为了真正把发动机和电机的效率都发挥到极致，做到更省油、更省电，就要开发专用的混动变速器，即所谓DHT（DedicatedHybrid Transmission）。

一提到DHT，大家首先想到的就是丰田的THS(Toyota Hybrid System)，这个系统其实也是一代一代更新的。而要开发比现有变速器更好的专用混动变速器，需要从以下三个方面着手：这三条是变速器迎接汽车电动化时代需要解决的核心问题。

第一，构型方案的原始创新。研发过程中必须找出一个更好的构型，这个构型要能实现两个或几个电机和发动机进行动力耦合。难点在于要如何连接和组合？采用什么样的控制策略？而首要问题就是一定要在构型方案上实现重大突破，这是DHT研发的根本出发点。

第二，变速器在动力系统中的匹配。即使是同一个构型方案，在整车上匹配以后，油耗表现的差别可能非常大。在选定的构型方案当中，诸如发动机、变速器、电机、电池和传动机构等，都要找到最佳的匹配参数。

第三，能量流的有效管理。什么时候用发动机驱动，什么时候用电机驱动，什么时候联合驱动，什么时候进行能量回收，都要实现最优组合，做到最优匹配。

DHT要做到位，第一要有很好的经济性；第二要在整车上有很好的表现。回到变速器的基本要求，目前看主要有两条技术路线：一条是采用行星排，另一条是采用定轴齿轮。无论是单个或多个行星排，还是几对定轴齿轮，又或者是行星排和定轴齿轮的组合，都可以实现变速器的工作要求。但是要获得最好的解决方案，还需要大家一起去探索。

就大方向而言，DHT需要有不同的挡位。分挡位的好处是，混动发动机可以像传统车一样通过换挡保持在高效区间工作；同时分挡位也能使电机在工作时实现最佳的表现；此外，还可以确保制动能量更高效地回收。所以，好的DHT一定是分挡位的。

另外，还需注意混动驱动向纯电驱动逐步过渡。一个混动变速器方案，除了分挡位、能够有效满足混合动力车型的各种功能要求以外，还应该容易向纯电驱动过渡，这才是最理想的方案。

专用混动变速器还需要在原理和结构创新上有大的突破。丰田的方案也不一定就是终极解决方案，DHT未来还有很大的提升空间，理想状态就是先把电机和发动机做到最佳状态，再把两个最佳状态放到一起有效耦合，实现“最佳+最佳”。这其中能量流管理、控制与集成都很关键，而如果基础结构没有突破，后续就很难有优化的空间。

一方面，总体的发展方向还是要采用行星排的结构，行星排是一个二自由度的机构，更有利于不同动力源之间的耦合。另一方面，未来变速器要进行平台设计，即同一平台的结构要能同时兼顾混动、插电混动和纯电驱动的需求。

尽管纯发动机驱动的节能减排潜力已渐趋极限，但如果把电池、电机充分利用起来，和发动机有效地耦合，可以形成混合动力，还有纯电驱动里程更长的插电式混合动力，也包括增程式电动车。

在这些动力形式中，发动机依然有用武之地，并将带来巨大的节能减排空间。变速器的原理创新恰恰需要在这个基础上进行思考，进行全新的设计。而一旦成功设计出全新的专用混动变速器，就可以重新与发动机建立最佳的组合，也就是说，通过DHT，未来发动机将能更好地发挥作用。

有人认为，驱动电机的性能已经可以基本满足车辆的需求了，因此电动车只需要一个单级减速器就可以了，不需要复杂的变速器了。在我看来，这种认识即使不能说完全错误，起码是片面的。

目前电机效率总体来说确实比较高，并且高效的工作范围也比较大。但电机仍然不是在所有工作点上都是高效的，例如低速大扭矩的时候，它的效率只有60%-70%，又如高速小扭矩的时候，它的效率也不高。同时，电动车对于能耗更为敏感，因为能耗差就意味着必须搭载更多昂贵的电池。

正因如此，一方面很多产品并不会轻易放弃发动机，像日产的e-Power技术，就是采用一套由汽油发动机与电机组合的动力总成，由电机直接驱动车轮，发动机只负责发电。这样可以把发动机设计成一直在高效区间运行，同时保证驱动电机也高效运行，从而在总体上获得更高效率。

另一方面，纯电驱动下安装分级变速器带来的收益也很明显。我们做过的大量仿真分析研究表明，纯电乘用车如果从单级减速器改成两挡自动变速器，大概可以节能6%，而且车辆的动力性也会得到很大改善。如果改成三挡，节能效果还可以继续提高1%-2%。如果是纯电动商用车，比如公交车，用三挡变速器替代单级减速器，可以节能13%左右。

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自动变速器的市场占有率及未来预测

到2020年

a. DCT的产能将达到年产1000万台，约占自动变速器整体产能的50%

b. AT的年产能大概在600多万台

c. CVT的产能则是年产300万台左右

d. AMT主要是用在低端车型上，量相对较少，年产量估计约20-30万台

2017年中国乘用车销量为2472万辆，如果2020年以乘用车年销量为2500万辆来计算，再考虑到搭载率继续提高的因素，从市场需求的角度讲，基本上应该处于产能与需求平衡的状态。