Reduktionsgear og gearkasser i elbiler
De fleste elbiler, der markedsføres med en ”ettrinsgearkasse”, indeholder stadig tandhjul. En fast reduktion omsætter motorens høje omdrejningstal til lavere hjulhastighed og højere drejningsmoment ved hjulene; kun et ægte direkte drev eller en konstruktion med hjulmotorer kan undvære dette reduktionstrin.
Hvorfor en elbil har brug for reduktionsgear
Traktionsmotorer kan arbejde ved mange tusinde omdrejninger i minuttet, mens et vejhjul drejer langt langsommere. En reduktionsudveksling gør det muligt for en kompakt højhastighedsmotor at arbejde i et fordelagtigt område af sit omdrejnings- og virkningsgradskort.
Hvis man ser bort fra dækdeformation, differentialets virkning og tab:
drejningsmoment ved hjulene ≈ motormoment × reduktionsudveksling × drivlinjens virkningsgrad
En reduktion på 9:1 ganger derfor akselmomentet med lidt mindre end ni, når de mekaniske tab er medregnet. Det betyder også, at motoren drejer cirka ni omgange for hver hjulomdrejning. Reduktionsgear skaber ikke effekt; det bytter hastighed for drejningsmoment.
Faste ettrinsreduktioner
Standardløsningen i elektriske personbiler er én fast udveksling for hver trækkende aksel. Tandhjulsdrevet kan benytte ét eller to reduktionstrin med skråtskårne eller ligeskårne tandhjul, et planetgeartrin eller en kombination. Motoren kan placeres koaksialt med akslen eller parallelt med den, hvilket ændrer antallet af aksler, lejebelastningerne, enhedens form og tandhjulsgeometrien.
En fast udveksling gør skifteaktuatorer og afbrydelser af drejningsmomentet overflødige. Elmotorer kan starte fra stilstand, vende omløbsretning elektrisk og arbejde over et bredt område med konstant drejningsmoment og konstant effekt. Derfor har de fleste elbiler ikke brug for de mange udvekslinger, som holder en forbrændingsmotor tæt på et snævert, effektivt omdrejningsområde.
”Ét trin” beskriver antallet af valgbare udvekslinger, ikke antallet af tandhjulsindgreb. En fast reduktionsenhed med to trin kan stadig være en ettrinsgearkasse.
Valg af udveksling
En kortere samlet reduktionsudveksling — altså en talmæssigt større udveksling — øger drejningsmomentet ved hjulene under igangsætning og kørsel op ad bakke, men får motoren til at dreje hurtigere ved enhver kørehastighed. Motorens maksimale omdrejningstal kan da begrænse bilens topfart, mens en høj elektrisk frekvens kan øge tab i jern, inverter og lejer samt luftmodstandstab.
En længere udveksling sænker motorens omdrejningstal ved en given kørehastighed og kan øge topfarten, men kræver større motormoment og mere strøm for at levere den samme kraft ved hjulene. Det kan øge tabene i kobber og inverter og kan nødvendiggøre en større motor.
Ingeniørerne vælger udvekslingen sammen med dækkenes rulleradius, bilens masse, stigeevne, målet for anhængervægt, topfart, motorens moment-omdrejningskurve, virkningsgradskort, spænding, inverterstrøm, køling og støj. Ændring af hjul- eller dækdiameteren ændrer også den effektive udveksling til vejen.
Differentialet
Et almindeligt åbent differentiale lader venstre og højre hjul rotere med forskellig hastighed i et sving, mens det overfører stort set samme drejningsmoment gennem sidehjulene. Det garanterer ikke samme effekt, og når det ene hjul har meget lidt vejgreb, kan ens drejningsmoment på drivakslerne begrænse den nyttige trækkraft.
Et spærredifferentiale eller et elektronisk styret differentiale kan fordele drejningsmomentet mekanisk med en skævhed. Bremsebaseret antispinregulering kan bremse et hjul, der spinder. En aksel med to uafhængige motorer kan styre drejningsmomentet i venstre og højre side elektrisk, men har stadig brug for reduktionsgear og kan benytte separate slutdrev.
Flertrinsgearkasser til elbiler
En ekstra valgbar udveksling kan kombinere et kort igangsætningstrin med et længere trin til høj hastighed. De mulige fordele er større drejningsmoment ved hjulene uden en overdimensioneret motor, et bredere topfartsområde og mulighed for at flytte driftspunkterne til en mere effektiv del af motorens kort.
Porsche Taycan er et serieproduceret eksempel. Bagakslen benytter et kort første trin til kraftig acceleration fra stilstand og et længere andet trin til effektivitet og effektreserve ved høj hastighed, mens forakslen har en fast ettrinsreduktion.
Den ekstra udveksling medfører også flere tandhjul, lejer, koblinger eller klokoblinger, en aktuator, styring, større behov for smøring, ekstra masse og omkostninger, kalibrering af gearskift og mulige afbrydelser af drejningsmomentet. En motor med et bredere omdrejningsområde og én fast udveksling kan give bedre økonomi og virkningsgrad for bilen som helhed. Derfor er flertrinsgearkasser i elektriske personbiler fortsat undtagelsen frem for standardløsningen.
Frakobling og drivenheder med flere motorer
En firehjulstrukket elbil kan medføre en inaktiv sekundær motor under jævn kørsel. En frakoblingskobling kan adskille denne motor og en del af dens tandhjulsdrev fra hjulene og dermed reducere elektromagnetiske tab samt tab i lejer og tætninger og ved omrøring af olien. Ulempen er en mere kompleks aktuator, tilkoblingstid, ekstra masse og endnu en mekanisme med kritiske krav til holdbarheden.
En induktionsmotor kan ofte gøres strømløs med lav elektromagnetisk modstand, hvilket mindsker behovet for mekanisk frakobling. En permanentmagnetmotor fortsætter med at skabe rotorflux, men omhyggelig inverterstyring og tandhjul med lave tab kan stadig gøre drift uden drejningsmoment praktisk anvendelig.
Virkningsgrad, smøring og støj
Tab i tandhjul opstår ved tændernes glidning og rulning, i lejer og tætninger, ved omrøring af olie, i pumper og ved differentialets bevægelse. Virkningsgraden varierer med hastighed, drejningsmoment, olietemperatur, oliestand, tændernes overfladekvalitet, lejernes forspænding og smøremetoden. En oplyst maksimal virkningsgrad for en gearkasse repræsenterer ikke tabene gennem en hel kørecyklus.
Et højt motoromdrejningstal flytter tandindgrebsfrekvenserne ind i akustisk følsomme områder. Tændernes mikrogeometri, valg af udveksling, akslernes og husets stivhed, lejeunderstøtning, rotorafbalancering og inverterens harmoniske frekvenser påvirker alle den hvinende lyd, som høres i kabinen. Et mere støjsvagt tandhjul kan kræve et kompromis med hensyn til kontaktspænding, produktionsomkostninger eller virkningsgrad.
Olien skal beskytte tænder og lejer uden at skabe overdreven omrøring. Nogle integrerede drivenheder bruger en elektrisk pumpe og et tørsumpssystem til at føre olie derhen, hvor den er nødvendig, uden at lade de roterende tandhjul være dybt nedsænket.
Sådan læses angivelser af drejningsmoment
Motormoment måles før reduktionsgearet; aksel- eller hjulmoment måles efter det. Hvis motormomentet ganges med en stor udveksling, fås et stort tal for drejningsmomentet ved hjulene, men effekt og acceleration er fortsat begrænset af motorens omdrejningstal, batteriets effekt, inverterens grænser, dækkenes vejgreb, bilens masse og tab.
Kontrollér målepunktet, om tallet er en spids- eller kontinuerlig værdi, om det gælder én aksel eller hele bilen, og om udvekslingen ændres mellem trinnene. Uden disse oplysninger kan angivelser af drejningsmoment for forskellige elbiler ikke sammenlignes direkte.
Tilbage til Electric Motors and Drive Units.