Sähköautojen alennusvaihteet ja voimansiirrot
Useimmissa ”yksivaihteisella voimansiirrolla” mainostetuissa sähköautoissa on silti hammaspyöriä. Kiinteä alennus muuntaa moottorin suuren pyörimisnopeuden pienemmäksi pyörien nopeudeksi ja suuremmaksi vääntömomentiksi pyörillä. Vain aito suoraveto tai pyörämoottoreita käyttävä rakenne voi toimia ilman tätä alennusvaihetta.
Miksi sähköauto tarvitsee alennusvaihteen
Ajomoottorit voivat toimia monien tuhansien kierrosten minuuttinopeudella, kun taas maantiepyörä pyörii paljon hitaammin. Alennussuhteen ansiosta kompakti ja nopeasti pyörivä moottori voi toimia hyödyllisellä alueella nopeus- ja hyötysuhdekartallaan.
Kun renkaan muodonmuutos, tasauspyörästön toiminta ja häviöt jätetään huomiotta:
pyörien vääntömomentti ≈ moottorin vääntömomentti × alennussuhde × voimansiirron hyötysuhde
Alennus 9:1 siis moninkertaistaa akselin vääntömomentin hieman alle yhdeksänkertaiseksi mekaanisten häviöiden jälkeen. Se tarkoittaa myös, että moottori pyörii noin yhdeksän kierrosta yhtä pyörän kierrosta kohden. Alennusvaihde ei luo tehoa, vaan vaihtaa nopeutta vääntömomentiksi.
Kiinteät yksivaihteiset alennukset
Sähköhenkilöautojen vakiintunut ratkaisu on yksi kiinteä välityssuhde kutakin vetävää akselia kohden. Hammaspyörästössä voi olla yksi tai kaksi alennusvaihetta vinohampaisilla tai suorahampaisilla hammaspyörillä, planeettavaihde tai näiden yhdistelmä. Moottori voidaan sijoittaa samankeskisesti akselin kanssa tai sen suuntaisesti, mikä vaikuttaa akselien määrään, laakerikuormiin, kokonaisuuden muotoon ja hammaspyörien geometriaan.
Kiinteä välityssuhde poistaa vaihtamisen toimilaitteiden ja vääntömomentin katkosten tarpeen. Sähkömoottorit voivat lähteä liikkeelle pysähdyksistä, vaihtaa pyörimissuuntaa sähköisesti ja toimia laajalla vakion vääntömomentin ja vakiotehon alueella. Siksi useimmat sähköautot eivät tarvitse lukuisia välityssuhteita, joilla polttomoottori pidetään lähellä sen kapeaa ja tehokasta käyntinopeusaluetta.
”Yksivaihteinen” kuvaa valittavien välityssuhteiden määrää, ei hammaspyöräkosketusten määrää. Kaksivaiheinen kiinteä alennusvaihde voi edelleen olla yksivaihteinen voimansiirto.
Välityssuhteen valinta
Lyhyempi kokonaisvälitys — eli numeerisesti suurempi välityssuhde — kasvattaa pyörien vääntömomenttia liikkeelle lähdettäessä ja ylämäessä, mutta saa moottorin pyörimään nopeammin kaikilla ajonopeuksilla. Moottorin enimmäisnopeus voi tällöin rajoittaa auton huippunopeutta, ja suuri sähköinen taajuus voi lisätä rauta-, invertteri-, ilmanvastus- ja laakerihäviöitä.
Pidempi välityssuhde pienentää moottorin pyörimisnopeutta tietyllä ajonopeudella ja voi kasvattaa huippunopeutta, mutta edellyttää enemmän moottorin vääntömomenttia ja virtaa saman pyörävoiman tuottamiseen. Tämä voi lisätä kupari- ja invertterihäviöitä ja vaatia suuremman moottorin.
Insinöörit valitsevat välityssuhteen yhdessä renkaiden vierintäsäteen, auton massan, mäennousukyvyn, tavoitellun vetokyvyn, huippunopeuden, moottorin vääntömomentti-nopeuskäyrän, hyötysuhdekartan, jännitteen, invertterivirran, jäähdytyksen ja melun perusteella. Myös vanteen tai renkaan halkaisijan muuttaminen muuttaa tehokasta välitystä tiehen nähden.
Tasauspyörästö
Tavanomainen avoin tasauspyörästö antaa vasemman ja oikean pyörän pyöriä kaarteessa eri nopeuksilla ja välittää samalla sivurattaidensa kautta käytännössä yhtä suuren vääntömomentin. Se ei takaa samaa tehoa, ja kun yhden pyörän pito on hyvin vähäinen, yhtä suuri vääntömomentti vetoakseleilla voi rajoittaa hyödynnettävää vetovoimaa.
Lukkiutuva tai elektronisesti ohjattu tasauspyörästö voi jakaa vääntömomenttia mekaanisesti epätasaisesti. Jarruihin perustuva luistonesto voi hidastaa sutivaa pyörää. Kahdella itsenäisellä moottorilla varustettu akseli voi ohjata vasemman ja oikean puolen vääntömomenttia sähköisesti, mutta tarvitsee edelleen alennusvaihteet ja voi käyttää erillisiä loppuvälityksiä.
Sähköautojen monivaihteiset voimansiirrot
Toinen valittava välityssuhde voi yhdistää lyhyen liikkeellelähtövaihteen pidempään suurten nopeuksien vaihteeseen. Mahdollisia hyötyjä ovat suurempi vääntömomentti pyörillä ilman ylimitoitettua moottoria, laajempi huippunopeusalue ja mahdollisuus siirtää toimintapisteitä moottorikartan tehokkaammalle alueelle.
Porsche Taycan on esimerkki sarjatuotantoautosta. Sen taka-akselilla käytetään lyhyttä ensimmäistä vaihdetta hyvään liikkeellelähtöön ja pidempää toista vaihdetta tehokkuuteen ja tehoreserviin suurilla nopeuksilla, kun taas etuakselilla on kiinteä yksivaihteinen alennus.
Toinen välityssuhde tuo mukanaan myös lisää hammaspyöriä, laakereita, kytkimiä tai hammaskytkimiä, toimilaitteen, ohjauksen, suuremman voitelutarpeen, massaa, kustannuksia, vaihtamisen kalibrointia ja mahdollisen vääntömomentin katkoksen. Laajemmalla nopeusalueella toimiva moottori ja yksi kiinteä välityssuhde voivat tarjota paremman kustannustason ja hyötysuhteen koko ajoneuvon kannalta. Siksi monivaihteiset voimansiirrot ovat sähköhenkilöautoissa edelleen poikkeus eivätkä oletusratkaisu.
Irtikytkennät ja monimoottoriset voimansiirtoyksiköt
Nelivetoinen sähköauto voi kuljettaa tasaisessa ajossa mukanaan passiivista toissijaista moottoria. Irtikytkentäkytkin voi erottaa tämän moottorin ja osan sen hammaspyörästöstä pyöristä, mikä vähentää sähkömagneettisia häviöitä sekä laakeri-, tiiviste- ja öljyn vatkaushäviöitä. Haittapuolina ovat toimilaitteen monimutkaisuus, kytkeytymisaika, lisämassa ja vielä yksi kestävyyden kannalta kriittinen mekanismi.
Induktiomoottori voidaan usein tehdä virrattomaksi niin, että sähkömagneettinen vastus jää pieneksi, mikä vähentää mekaanisen irtikytkennän tarvetta. Kestomagneettimoottori tuottaa edelleen roottorivuota, mutta invertterin huolellinen ohjaus ja vähähäviöinen hammaspyöräsuunnittelu voivat silti tehdä nollavääntömomentilla toimimisesta käytännöllistä.
Hyötysuhde, voitelu ja melu
Hammaspyörähäviöitä syntyy hampaiden liukumisesta ja vierimisestä, laakereista, tiivisteistä, öljyn vatkauksesta, pumpuista ja tasauspyörästön liikkeestä. Hyötysuhde vaihtelee nopeuden, vääntömomentin, öljyn lämpötilan ja määrän, hampaiden pinnanlaadun, laakereiden esijännityksen ja voitelutavan mukaan. Vaihteistolle ilmoitettu parhaan toimintapisteen hyötysuhde ei kuvaa häviöitä koko ajosyklin aikana.
Suuri moottorinopeus nostaa hammaspyöräkosketusten taajuudet akustisesti herkille alueille. Hampaiden mikrogeometria, välityssuhteen valinta, akselien ja kotelon jäykkyys, laakerien tuenta, roottorin tasapainotus ja invertterin yliaallot vaikuttavat kaikki matkustamossa kuuluvaan ujellukseen. Hiljaisempi hammaspyörä voi edellyttää kompromissia kosketusjännityksessä, valmistuskustannuksissa tai hyötysuhteessa.
Öljyn on suojattava hampaita ja laakereita aiheuttamatta liiallista vatkausta. Joissakin integroiduissa voimansiirtoyksiköissä käytetään sähköpumppua ja kuivasumppujärjestelmää, jotta öljy saadaan tarvittaviin kohteisiin ilman pyörivien hammaspyörien jäämistä syvälle öljyyn.
Vääntömomenttilukemien tulkinta
Moottorin vääntömomentti mitataan ennen alennusta, kun taas akselin tai pyörien vääntömomentti mitataan sen jälkeen. Moottorin vääntömomentin kertominen suurella välityssuhteella tuottaa suuren pyörävääntömomenttilukeman, mutta tehoa ja kiihtyvyyttä rajoittavat edelleen moottorin nopeus, akun teho, invertterin rajat, renkaiden pito, ajoneuvon massa ja häviöt.
Tarkista mittauskohta, onko lukema huippu- vai jatkuva arvo, kattaako se yhden akselin vai koko ajoneuvon ja muuttuuko välityssuhde vaihteiden välillä. Ilman näitä tietoja eri sähköautojen vääntömomenttilukemat eivät ole suoraan vertailukelpoisia.
Palaa kohtaan Electric Motors and Drive Units.