《Technologies》：A Design-Oriented Scoping Review of Electric-Vehicle Gearbox Technologies: Architectures, Gear Ratio Selection, Efficiency, NVH, and Reliability
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电动汽车（EV）变速箱仍然是关键设计元素，因为它们决定了电机转速和扭矩如何在一个行驶循环（driving cycle）中转换为轮速和牵引力。这项面向设计的范围综述（design-oriented scoping review）在一个基于证据的架构选择（evid
电动汽车（EV）变速箱仍然是关键设计元素，因为它们决定了电机转速和扭矩如何在一个行驶循环（driving cycle）中转换为轮速和牵引力。这项面向设计的范围综述（design-oriented scoping review）在一个基于证据的架构选择（evidence-informed architecture-selection）视角下，综合了EV变速箱架构（EV gearbox architectures）、齿比选择（gear ratio selection）、效率损失（efficiency losses）、NVH（噪声、振动与声振粗糙度）、行星齿轮和复合行星齿轮系统（planetary and compound planetary systems）、润滑（lubrication）、热行为（thermal behavior）、可靠性（reliability）、可制造性（manufacturability）和成本（cost）。研究人员对Scopus、IEEE Xplore、ScienceDirect、SpringerLink和MDPI进行了结构化搜索，识别出312条记录；在移除71条重复后，筛选了241条标题和摘要，并对61篇文章进行了全文评估，最终40个来源形成了可重复的结构化搜索核心。随后，一项针对差距的补充搜索在代表性不足的领域增加了12个来源，形成了一个包含52个来源的综合集。修订后的分析报告了出版趋势、证据级别分布、技术关注频率以及一个按维度分离的证据计数表，涵盖齿数比（ratio count）、齿轮系拓扑（gear train topology）和集成级别（integration level）。证据表明，单速减速变速箱（single-speed reduction gearboxes）仍然是许多乘用EV的成熟基线，而两速、多速、行星齿轮、复合行星齿轮和集成式电驱动桥（e-axle）解决方案需要基于系统级收益和风险的应用特定理由。一个说明性的筛选计算展示了框架逻辑，但未作为生产级验证呈现。主要差距在于实验验证的损失和NVH图谱、耦合的效率-热-润滑-耐久性分析、考虑可靠性的任务剖面验证、标准化基准以及复合行星齿轮和集成式电驱动桥系统的透明比较。在异质的研究条件下，报告的能源收益范围从固定齿比优化的2.4%到选定多速比较的15%；这些结果未被合并，因为车辆、电机图谱、行驶循环、损失模型和验证方法各不相同。
1. Introduction 电动汽车（EV）改变了传动系统的作用。牵引电机提供低速高扭矩并覆盖宽转速范围，使得许多纯电动汽车（BEV）可采用单速减速变速箱。但变速箱仍是关键设计元素，影响加速、爬坡、最高车速、电机工作点、能耗、NVH（噪声、振动与声振粗糙度）、可靠性和成本。单速变速箱成熟、紧凑、可靠且便宜，但固定齿比存在折中：高减速比改善起步和爬坡，但增加高速时电机转速；低减速比支持最高车速，但降低低速牵引力。两速和多速变速箱可改善电机图谱利用，但需权衡额外损失、质量、换挡复杂性、NVH、耐久性和成本。架构选择还取决于齿轮系拓扑和集成级别。平行轴变速箱成熟经济；行星齿轮变速箱提供紧凑同轴布局和高扭矩密度，但性能依赖载荷分配、行星轴承载荷、行星架刚度、润滑、公差和NVH（噪声、振动与声振粗糙度）。复合行星系统提供更高齿比密度但需更强验证。直驱系统取消变速箱，而集成式电驱动桥（e-axle）将电机、变速箱、差速器、逆变器、冷却系统、润滑剂和外壳整合为一个模块。现有综述涉及多速BEV传动、两速拓扑、传动效率、齿数比和EV NVH，但文献在性能、效率、NVH和机械设计主题上仍碎片化。本综述将齿比设计、架构选择、损失机制、NVH（噪声、振动与声振粗糙度）、行星系统、润滑、热约束、可靠性、可制造性和未来发展趋势整合在一个基于证据的框架内，并明确识别证据有限的领域。核心问题是哪种EV变速箱架构最适合特定应用的性能、效率、NVH、包装、热、润滑、可靠性、可制造性和成本要求。1.1 Contribution of the Manuscript 本综述区分了先前研究总结的已建立工程知识与原创综合。已建立知识包括车辆级尺寸关系、齿比选择方法、变速箱损失机制、NVH激励机制、行星载荷分配、润滑、热管理和组件级可靠性。本综述的原创输出包括：(i) 四维分类法，分离齿数比、齿轮系拓扑、轴布置和集成级别；(ii) 52源综合集的单色描述性证据概览和按维度分离的证据计数表；(iii) 基于证据的架构选择矩阵，结合性能、效率、NVH、热-润滑行为、可靠性、可制造性、包装和成本；(iv) 应用特定筛选标准的操作定义；(v) 说明性计算和研究路线图，展示综合如何指导初步设计决策。可重复结构化搜索核心包括40个来源。12个针对性补充源被保留以加强润滑、搅油、热行为、行星载荷分配、复合行星验证和耐久性方面的预定义差距。补充是定向且迭代的，其查询族、保留参考文献、针对的差距和包含理由是透明的，但非完整PRISMA流。1.2 Organization of the Paper 论文结构如下：第2节描述搜索策略、资格标准、结构化筛选、定向补充、数据提取和证据分类；第3节定位本综述相对于现有EV传动综述；第4节定义车辆和传动级设计需求；第5节呈现架构分类法和应用导向比较；第6节检查齿比设计和优化；第7节和第8节分别涉及效率和NVH；第9节聚焦行星和复合行星系统；第10节讨论材料、制造、润滑、热管理和可靠性；第11节整合为架构选择框架和说明性筛选计算；第12节和第13节呈现研究差距、未来方向和局限性；第14节总结。详细源编码、定向搜索可追溯性和扩展路线图见补充材料。2. Review Methodology 本综述采用系统性范围方法，适应工程设计问题。使用PRISMA-ScR原则结构化识别、筛选、资格评估和报告。非注册，因不进行临床或统计荟萃分析。旨在识别与EV变速箱架构、齿比设计、效率、NVH（噪声、振动与声振粗糙度）、行星和复合行星系统、润滑、热行为、可靠性和系统集成相关的证据。应作为面向设计的范围综述，而非详尽文献计量综述。2.1 Search Strategy and Databases 最后的结构化数据库搜索于2026年6月24日在Scopus、IEEE Xplore、ScienceDirect、SpringerLink和MDPI进行。考虑2010至2026年英文期刊和会议论文。仅当提供基础机械设计关系或标准时使用更早来源，且不计入结构化EV变速箱语料库。表1显示了数据库特定搜索字符串和初始记录数。在Scopus中，搜索应用于标题、摘要和关键词。在其他数据库中使用等效字段和过滤器。语法适应各界面，同时保留相同逻辑块：电动汽车背景、变速箱或传动架构、设计性能主题。40源结构化核心根据预定义资格标准和与研究问题相关性选择，而非引用计数或数据库排名。2.2 Eligibility Criteria 资格评估使用表2标准。同行评审原创研究和技术详细会议论文构成主要证据基础。综述、预印本、SAE或行业论文、标准和技术出版物仅当提供直接相关背景、方法、定义或新兴证据时使用，并明确区分。2.3 Screening Process 结构化筛选包括四个阶段：识别、去重、标题和摘要筛选、全文资格评估。数据库搜索返回312条记录：Scopus 110、IEEE Xplore 68、ScienceDirect 74、SpringerLink 38、MDPI 22。DOI匹配、标题匹配、作者-年份比较和手动检查移除71条重复，剩余241条。标题和摘要筛选排除180条非EV变速箱机械设计范围或传动相关性不足的记录。剩余61篇全文按表2评估，21条因表3总结原因排除，结构化搜索得到40个核心源。结构化筛选后，差距审计识别出设计框架关键但代表性不足的主题。随后使用窄查询族和前后向引用链进行：(i) EV变速箱润滑、电子流体、搅油、风阻和热行为；(ii) 行星载荷分配和实验测量；(iii) 复合行星和3K系统用于电驱动；(iv) 疲劳、磨损、轴承寿命和润滑剂退化。应用相同主题和证据资格规则，保留12个补充源[16-27]，得到最终52源综合集，如图1所示。定向补充是定向迭代搜索，非第二次数据库级PRISMA流。补充表S1文档化查询族、保留参考文献、针对差距和源特定包含理由。历史查询级命中计数和筛选记录未保留，因此补充在查询族和保留源级别透明可审计，但非可重复的完整PRISMA搜索。2.4 Data Extraction and Classification Framework 对每个源应用标准化提取模板。提取字段包括出版年份、源类型、齿数比类别、齿轮系拓扑、集成级别、车辆应用、齿比设计方法、优化目标、损失模型、NVH处理、热和润滑处理、可靠性或耐久性处理、验证方法、主要贡献、证据级别和主要局限性。为避免非互斥类别被解释为竞争替代，齿数比、齿轮系拓扑和集成级别在单独字段编码。技术关注类别也非互斥。完整源级编码矩阵（包括12源定向搜索审计）见补充表S1和S2。模糊案例保留在一般或未指定类别，而非推断分配。源级编码对照补充表S3预定义规则审计。模糊案例通过源中明确信息解决或保留在一般/未指定类别。未报告正式评分者间系数，因提取非盲法平行编码练习。编码综合集外仅用于公式化框架关系或背景化工业实现和新兴设计示例的参考文献不计入52源描述性计数或证据级分布。2.5 Evidence-Level Classification and Descriptive Evidence Profiling 源在验证类型和目的上差异显著。表2四级标尺仅用作描述性证据标签。A级：测量/原型（Measured/Prototype）表示测量、原型、车辆级或生产相关证据；B级：建模/优化（Modeled/Optimized）表示同行评审建模或优化，具有现实工程假设；C级：有限概念（Limited Concept）表示简化概念，忽略重要约束；D级：语境（Contextual）表示综述、预印本、标准、行业论文或技术出版物，用于背景。这些标签限定声明的支持强度，非数值效应权重、技术成熟度标签或通用架构排名。未计算数值证据评分，因给异质证据类分配精确系数可能隐含文献无法支持的统计客观性。综合报告透明源计数和证据级组成。图2使用相同单色条形样式总结出版期、证据级组成和技术关注频率；表5报告齿数比、齿轮系拓扑和集成级别计数。这些架构维度非互斥：变速箱可同时为单速、行星和集成于电驱动桥。52源集集中于近期工作：32源（61.5%）出版于2020–2024，7源（13.5%）出版于2025–2026。证据级包括7个A级（13.5%）、27个B级（51.9%）、无C级、18个D级（34.6%）。技术关注非互斥：效率33源、齿比设计27源、优化/控制22源、可靠性/耐久性14源、热-润滑13源、NVH 10源、实验验证7源。这些值描述被审查集，非合并效应量。3. Comparison with Existing EV Transmission and Gearbox Review Papers 现有综述为研究EV传动提供强基础，但多数聚焦单一主导问题，如多速性能、两速拓扑、传动效率、齿数比或车辆NVH。因此，架构成熟度、验证强度和实际机械约束常分开讨论，而非集成于单一选择过程。Machado等[6]回顾了BEV多速变速箱现状和未来趋势，但未提供涵盖单速、直驱、行星、复合行星、集成电驱动桥、NVH、润滑、热行为和可靠性的通用机械设计比较。Ahssan等[7]讨论了多速EV传动的性能收益和复杂性，但未系统处理机械拓扑、行星系统、详细损失机制、NVH和长期耐久性。Gao等[4]检查了两速EV传动拓扑优化和发展趋势，但非完整比较。效率和经济性导向综述，如Lacock等[3]和Bertucci等[8]，直接支持核心权衡，但仅部分涉及行星和复合行星系统、NVH、润滑、热行为、可靠性和架构选择方法。NVH综述，如Hua等[12]、Horváth和Feszty[13]、Hazra和Khan[15]，讨论了齿轮表面波纹度和更广泛EV NVH挑战，但未主要关联NVH与齿比选择、变速箱损失、拓扑和可靠性。表6区分了本综述范围与现有调查。最成熟和广泛验证的证据涉及单速和平行轴减速器。两速系统主要受模拟和选定原型支持。行星力学在组件级成熟，但EV特定紧凑共享外壳条件下的验证仍有限。复合行星系统和一些集成电驱动桥优化声明需进一步透明实验基准测试。4. EV Gearbox Design Requirements EV变速箱开发始于车辆需求，而非仅齿轮几何。所需车速、加速、爬坡、车轮半径、质量、电机转速范围和扭矩决定所需轮毂扭矩、轮速、工作区域和总电机至车轮减速比。多项研究表明传动架构和齿比选择通过其与电机效率图和行驶循环的交互影响车辆性能和能耗。4.1
