Riduttori e trasmissioni dei veicoli elettrici
La maggior parte dei veicoli elettrici pubblicizzati con una «trasmissione a rapporto singolo» contiene comunque degli ingranaggi. Un riduttore fisso trasforma l’elevata velocità di rotazione del motore in una velocità delle ruote inferiore e in una coppia alle ruote maggiore; solo una vera trasmissione diretta o una configurazione con motori nelle ruote può fare a meno di questo stadio di riduzione.
Perché un veicolo elettrico ha bisogno di un riduttore
I motori di trazione possono funzionare a molte migliaia di giri al minuto, mentre una ruota stradale gira molto più lentamente. Un rapporto di riduzione consente a un motore compatto ad alta velocità di lavorare in una zona utile della propria mappa di velocità ed efficienza.
Trascurando la deformazione degli pneumatici, l’azione del differenziale e le perdite:
coppia alle ruote ≈ coppia del motore × rapporto di riduzione × efficienza della catena cinematica
Una riduzione di 9:1 moltiplica quindi la coppia sull’albero di un valore leggermente inferiore a nove dopo le perdite meccaniche. Significa inoltre che il motore compie circa nove giri per ogni giro della ruota. La riduzione non crea potenza; scambia velocità con coppia.
Riduzioni fisse a rapporto singolo
La soluzione standard per le autovetture elettriche è un rapporto fisso per ciascun asse motore. Il treno di ingranaggi può utilizzare uno o due stadi di riduzione con ingranaggi elicoidali o a denti diritti, uno stadio planetario o una combinazione. Il motore può essere disposto coassialmente all’asse oppure in parallelo, modificando il numero di alberi, i carichi sui cuscinetti, la forma del gruppo e la geometria degli ingranaggi.
Un rapporto fisso evita gli attuatori di cambiata e le interruzioni della coppia. I motori elettrici possono avviarsi da fermi, invertire elettricamente il senso di rotazione e funzionare in un ampio intervallo a coppia costante e potenza costante. La maggior parte dei veicoli elettrici non ha quindi bisogno dei numerosi rapporti usati per mantenere un motore a combustione vicino a una ristretta fascia di regime efficiente.
«Rapporto singolo» descrive il numero di rapporti selezionabili, non il numero di ingranamenti. Un riduttore fisso a due stadi può essere comunque una trasmissione a rapporto singolo.
Scelta del rapporto
Un rapporto di riduzione totale più corto — quindi numericamente maggiore — aumenta la coppia alle ruote in partenza e in salita, ma fa girare il motore più velocemente a qualsiasi velocità del veicolo. Il regime massimo del motore può quindi limitare la velocità massima del veicolo, mentre un’elevata frequenza elettrica può aumentare le perdite nel ferro, nell’inverter e nei cuscinetti, oltre alle perdite per ventilazione.
Un rapporto più lungo riduce il regime del motore a una determinata velocità del veicolo e può aumentare la velocità massima, ma richiede più coppia del motore e più corrente per ottenere la stessa forza alle ruote. Ciò può aumentare le perdite nel rame e nell’inverter e può richiedere un motore più grande.
Gli ingegneri scelgono il rapporto insieme al raggio di rotolamento degli pneumatici, alla massa del veicolo, alla capacità di superare le pendenze, all’obiettivo di traino, alla velocità massima, alla curva coppia-regime del motore, alla mappa di efficienza, alla tensione, alla corrente dell’inverter, al raffreddamento e al rumore. Anche una variazione del diametro delle ruote o degli pneumatici modifica il rapporto effettivo con la strada.
Il differenziale
Un differenziale aperto convenzionale consente alle ruote sinistra e destra di girare a velocità diverse in curva, trasmettendo al contempo una coppia sostanzialmente uguale attraverso i propri ingranaggi laterali. Non garantisce la stessa potenza e, quando una ruota ha pochissima aderenza, la coppia uguale sui semiassi può limitare la forza motrice utile.
Un differenziale autobloccante o a controllo elettronico può ripartire meccanicamente la coppia in modo asimmetrico. Il controllo della trazione basato sui freni può rallentare una ruota che slitta. Un asse con due motori indipendenti può controllare elettricamente la coppia a sinistra e a destra, ma necessita comunque di riduttori e può utilizzare percorsi di riduzione finale separati.
Trasmissioni a più rapporti per veicoli elettrici
Un secondo rapporto selezionabile può abbinare un rapporto corto per la partenza a uno più lungo per le alte velocità. I potenziali vantaggi sono una coppia alle ruote superiore senza sovradimensionare il motore, un intervallo di velocità massima più ampio e la possibilità di spostare i punti di funzionamento in una zona più efficiente della mappa del motore.
La Porsche Taycan è un esempio di serie. L’asse posteriore utilizza un primo rapporto corto per le prestazioni in partenza e un secondo rapporto più lungo per l’efficienza e la riserva di potenza alle alte velocità, mentre l’asse anteriore impiega una riduzione fissa a rapporto singolo.
Il secondo rapporto aggiunge anche ingranaggi, cuscinetti, frizioni o innesti frontali, un attuatore, sistemi di controllo, maggiore fabbisogno di lubrificazione, massa, costo, calibrazione delle cambiate e possibili interruzioni della coppia. Un motore con un intervallo di regimi più ampio e un solo rapporto fisso può offrire costi ed efficienza migliori a livello dell’intero veicolo. Per questo le trasmissioni a più rapporti rimangono l’eccezione anziché la norma nelle autovetture elettriche.
Disaccoppiamento e unità di trazione con più motori
Durante la marcia a velocità costante, un veicolo elettrico a trazione integrale può portare con sé un motore secondario inattivo. Una frizione di disaccoppiamento può separare questo motore e parte del suo treno di ingranaggi dalle ruote, riducendo le perdite elettromagnetiche e quelle nei cuscinetti e nelle tenute, nonché le perdite dovute allo sbattimento dell’olio. Lo svantaggio è costituito dalla complessità dell’attuatore, dal tempo di innesto, dalla massa e da un ulteriore meccanismo critico per l’affidabilità.
Un motore a induzione può spesso essere disalimentato con un basso trascinamento elettromagnetico, riducendo la necessità di un disaccoppiamento meccanico. Un motore a magneti permanenti continua a creare flusso nel rotore, ma un controllo accurato dell’inverter e ingranaggi progettati per basse perdite possono comunque rendere pratico il funzionamento a coppia nulla.
Efficienza, lubrificazione e rumore
Le perdite negli ingranaggi derivano dallo scorrimento e dal rotolamento dei denti, dai cuscinetti, dalle tenute, dallo sbattimento dell’olio, dalle pompe e dal movimento del differenziale. L’efficienza varia in funzione della velocità, della coppia, della temperatura e del livello dell’olio, della finitura dei denti, del precarico dei cuscinetti e del metodo di lubrificazione. L’efficienza massima dichiarata per un cambio non rappresenta le perdite durante un intero ciclo di guida.
L’elevato regime del motore sposta le frequenze di ingranamento in intervalli acusticamente sensibili. La microgeometria dei denti, la scelta del rapporto, la rigidezza degli alberi e della scatola, il supporto dei cuscinetti, l’equilibratura del rotore e le armoniche dell’inverter influiscono tutti sul sibilo percepito nell’abitacolo. Un ingranaggio più silenzioso può richiedere un compromesso in termini di pressione di contatto, costo di produzione o efficienza.
L’olio deve proteggere i denti e i cuscinetti evitando uno sbattimento eccessivo. Alcune unità di trazione integrate utilizzano una pompa elettrica e un sistema a carter secco per portare l’olio dove serve senza lasciare gli ingranaggi rotanti profondamente immersi.
Come interpretare i valori di coppia
La coppia del motore viene misurata prima della riduzione; quella all’asse o alle ruote viene misurata dopo. Moltiplicare la coppia del motore per un rapporto elevato produce un valore alto di coppia alle ruote, ma potenza e accelerazione rimangono limitate dal regime del motore, dalla potenza della batteria, dai limiti dell’inverter, dall’aderenza degli pneumatici, dalla massa del veicolo e dalle perdite.
Verificare il punto di misurazione, se il valore è di picco o continuo, se riguarda un asse o l’intero veicolo e se il rapporto cambia tra le marce. Senza questi dettagli, i valori di coppia di veicoli elettrici diversi non sono direttamente confrontabili.
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