Engranajes reductores y transmisiones de los vehículos eléctricos
La mayoría de los vehículos eléctricos anunciados con una «transmisión de una sola velocidad» siguen teniendo engranajes. Una reducción fija convierte la elevada velocidad de giro del motor en una velocidad de rueda menor y un par en las ruedas mayor; solo una auténtica transmisión directa o una configuración con motores en las ruedas puede prescindir de esa etapa reductora.
Por qué un vehículo eléctrico necesita una reducción
Los motores de tracción pueden funcionar a muchos miles de revoluciones por minuto, mientras que una rueda gira mucho más despacio. Una relación de reducción permite que un motor compacto de alta velocidad trabaje en una zona útil de su mapa de velocidad y eficiencia.
Sin tener en cuenta la deformación de los neumáticos, la acción del diferencial ni las pérdidas:
par en las ruedas ≈ par del motor × relación de reducción × eficiencia de la cadena cinemática
Por tanto, una reducción de 9:1 multiplica el par del eje por algo menos de nueve una vez descontadas las pérdidas mecánicas. También significa que el motor gira unas nueve veces por cada vuelta de la rueda. La reducción no crea potencia; intercambia velocidad por par.
Reducciones fijas de una sola velocidad
La solución habitual en los turismos eléctricos consiste en una relación fija para cada eje motriz. El tren de engranajes puede utilizar una o dos etapas reductoras con engranajes helicoidales o rectos, una etapa planetaria o una combinación. El motor puede situarse coaxialmente con el eje o en paralelo a él, lo que modifica el número de ejes, las cargas de los rodamientos, la forma del conjunto y la geometría de los engranajes.
Una relación fija evita actuadores de cambio e interrupciones del par. Los motores eléctricos pueden arrancar desde velocidad cero, invertir su giro eléctricamente y funcionar en un amplio intervalo de par constante y potencia constante. Por eso, la mayoría de los vehículos eléctricos no necesitan las numerosas relaciones que mantienen un motor de combustión cerca de una estrecha franja de régimen eficiente.
«Una sola velocidad» describe el número de relaciones seleccionables, no el número de engranamientos. Un reductor fijo de dos etapas puede seguir siendo una transmisión de una sola velocidad.
Elección de la relación
Una relación de reducción total más corta —numéricamente mayor— aumenta el par en las ruedas para arrancar y subir pendientes, pero hace que el motor gire más rápido a cualquier velocidad del vehículo. La velocidad máxima del motor puede entonces limitar la velocidad punta, mientras que una frecuencia eléctrica elevada puede incrementar las pérdidas en el hierro, el inversor y los rodamientos, además de las pérdidas aerodinámicas.
Una relación más larga reduce la velocidad del motor a una velocidad de marcha determinada y puede ampliar la velocidad punta, pero exige más par del motor y más corriente para obtener la misma fuerza en las ruedas. Esto puede aumentar las pérdidas en el cobre y el inversor, y quizá requiera un motor mayor.
Los ingenieros eligen la relación junto con el radio de rodadura de los neumáticos, la masa del vehículo, la capacidad para superar pendientes, el objetivo de remolque, la velocidad máxima, la curva de par y velocidad del motor, el mapa de eficiencia, la tensión, la corriente del inversor, la refrigeración y el ruido. Cambiar el diámetro de la rueda o del neumático también modifica la relación efectiva con la carretera.
El diferencial
Un diferencial abierto convencional permite que las ruedas izquierda y derecha giren a velocidades distintas en una curva mientras transmite un par prácticamente igual a través de sus engranajes laterales. No garantiza la misma potencia y, cuando una rueda tiene muy poco agarre, el mismo par en ambos semiejes puede limitar la fuerza de tracción aprovechable.
Un diferencial de deslizamiento limitado o controlado electrónicamente puede repartir el par de forma desigual por medios mecánicos. El control de tracción basado en los frenos puede frenar una rueda que patina. Un eje con dos motores independientes puede controlar eléctricamente el par izquierdo y derecho, pero sigue necesitando engranajes reductores y puede usar vías de reducción final separadas.
Transmisiones de varias velocidades para vehículos eléctricos
Una segunda relación seleccionable puede combinar una marcha corta para el arranque con otra más larga para velocidades elevadas. Entre las posibles ventajas se encuentran un mayor par en las ruedas sin sobredimensionar el motor, un intervalo de velocidad punta más amplio y la posibilidad de trasladar los puntos de funcionamiento a una zona más eficiente del mapa del motor.
El Porsche Taycan es un ejemplo de producción. Su eje trasero utiliza una primera marcha corta para mejorar las prestaciones al arrancar y una segunda más larga para lograr eficiencia y reserva de potencia a alta velocidad, mientras que el eje delantero emplea una reducción fija de una sola velocidad.
La segunda relación también añade engranajes, rodamientos, embragues o acoplamientos de garras, un actuador, controles, necesidades de lubricación, masa, coste, calibración de los cambios y posibles interrupciones del par. Un motor con un intervalo de velocidades más amplio y una sola relación fija puede ofrecer mejores costes y eficiencia para el conjunto del vehículo. Por eso las transmisiones de varias velocidades siguen siendo la excepción, y no la norma, en los turismos eléctricos.
Desacoplamientos y unidades de propulsión con varios motores
Un vehículo eléctrico con tracción total puede llevar un motor secundario inactivo durante la marcha de crucero. Un embrague de desacoplamiento puede separar ese motor y parte de su tren de engranajes de las ruedas, reduciendo las pérdidas electromagnéticas y las causadas por los rodamientos, los retenes y la agitación del aceite. La contrapartida es la complejidad del actuador, el tiempo de acoplamiento, la masa y otro mecanismo crítico para la durabilidad.
Un motor de inducción a menudo puede desconectarse de la alimentación con poca resistencia electromagnética, lo que reduce la necesidad de un desacoplamiento mecánico. Un motor de imanes permanentes continúa creando flujo en el rotor, pero un control cuidadoso del inversor y un diseño de engranajes con pocas pérdidas aún pueden hacer viable el funcionamiento con par nulo.
Eficiencia, lubricación y ruido
Las pérdidas de los engranajes proceden del deslizamiento y la rodadura de los dientes, los rodamientos, los retenes, la agitación del aceite, las bombas y el movimiento del diferencial. La eficiencia varía con la velocidad, el par, la temperatura y el nivel del aceite, el acabado de los dientes, la precarga de los rodamientos y el método de lubricación. La eficiencia máxima anunciada de una caja de cambios no representa las pérdidas durante todo un ciclo de conducción.
La alta velocidad del motor lleva las frecuencias de engranamiento a intervalos acústicamente sensibles. La microgeometría de los dientes, la selección de la relación, la rigidez de los ejes y la carcasa, el apoyo de los rodamientos, el equilibrado del rotor y los armónicos del inversor influyen en el silbido que se oye en el habitáculo. Un engranaje más silencioso puede exigir un compromiso en la tensión de contacto, el coste de fabricación o la eficiencia.
El aceite debe proteger los dientes y los rodamientos sin provocar una agitación excesiva. Algunas unidades de propulsión integradas utilizan una bomba eléctrica y un sistema de cárter seco para suministrar aceite donde se necesita sin mantener los engranajes giratorios profundamente sumergidos.
Cómo interpretar las cifras de par
El par del motor se mide antes de la reducción; el par en el eje o en las ruedas se mide después. Multiplicar el par del motor por una relación de engranajes grande produce una cifra elevada de par en las ruedas, pero la potencia y la aceleración siguen limitadas por la velocidad del motor, la potencia de la batería, los límites del inversor, el agarre de los neumáticos, la masa del vehículo y las pérdidas.
Comprueba el punto de medición, si la cifra es máxima o continua, si corresponde a un eje o al vehículo completo y si la relación cambia entre marchas. Sin esos detalles, las cifras de par de distintos vehículos eléctricos no son directamente comparables.
Volver a Electric Motors and Drive Units.