Reduksjonsgir og girkasser i elbiler
De fleste elbiler som markedsføres med «ett-trinns girkasse», inneholder likevel tannhjul. En fast reduksjon omdanner motorens høye rotasjonshastighet til lavere hjulhastighet og høyere dreiemoment ved hjulene. Bare et ekte direktedrev eller en løsning med hjulmotorer kan klare seg uten dette reduksjonstrinnet.
Hvorfor en elbil trenger reduksjonsgir
Trekkmotorer kan arbeide ved mange tusen omdreininger i minuttet, mens et hjul på veien roterer langt saktere. En reduksjonsutveksling gjør at en kompakt motor med høyt turtall kan arbeide i en gunstig del av turtalls- og virkningsgradskartet.
Hvis man ser bort fra dekkdeformasjon, differensialens virkning og tap:
dreiemoment ved hjulene ≈ motormoment × reduksjonsutveksling × drivlinjens virkningsgrad
En reduksjon på 9:1 ganger derfor akselmomentet med noe mindre enn ni etter de mekaniske tapene. Det betyr også at motoren roterer omtrent ni ganger for hver hjulomdreining. Reduksjonsgir skaper ikke effekt; det bytter hastighet mot dreiemoment.
Faste ett-trinns reduksjoner
Standardløsningen i elektriske personbiler er én fast utveksling for hver drivende aksel. Tannhjulsrekken kan bruke ett eller to reduksjonstrinn med skråskårne eller rettskårne tannhjul, et planetgirtrinn eller en kombinasjon. Motoren kan plasseres koaksialt med akselen eller parallelt med den, noe som påvirker antall aksler, lagerbelastninger, enhetens form og tannhjulsgeometrien.
En fast utveksling gjør girskiftaktuatorer og avbrudd i dreiemomentet overflødige. Elektriske motorer kan starte fra stillestående, skifte rotasjonsretning elektrisk og arbeide over et bredt område med konstant dreiemoment og konstant effekt. Derfor trenger de fleste elbiler ikke de mange utvekslingene som holder en forbrenningsmotor nær et smalt og effektivt turtallsområde.
«Ett trinn» beskriver antallet valgbare utvekslinger, ikke antallet tannhjulsinngrep. En fast reduksjonsenhet med to trinn kan likevel være en ett-trinns girkasse.
Valg av utveksling
En kortere samlet reduksjonsutveksling — altså et tallmessig større forhold — øker dreiemomentet ved hjulene under igangkjøring og i motbakker, men får motoren til å rotere raskere ved alle kjørehastigheter. Motorens maksimale turtall kan da begrense bilens toppfart, mens en høy elektrisk frekvens kan øke tapene i jern, vekselretter og lagre samt luftmotstandstap.
En lengre utveksling reduserer motorturtallet ved en gitt kjørehastighet og kan gi høyere toppfart, men krever mer motormoment og strøm for å skape den samme kraften ved hjulene. Dette kan øke tapene i kobber og vekselretter og kan kreve en større motor.
Ingeniørene velger utvekslingen sammen med dekkenes rulleradius, bilens masse, stigeevne, målet for tilhengervekt, toppfart, motorens moment- og turtallskurve, virkningsgradskart, spenning, vekselretterstrøm, kjøling og støy. En endring av hjul- eller dekkdiameteren endrer også den effektive utvekslingen mot veien.
Differensialen
En vanlig åpen differensial lar venstre og høyre hjul rotere med ulik hastighet i en sving, samtidig som den overfører i hovedsak likt dreiemoment gjennom sidehjulene. Den garanterer ikke lik effekt, og når ett hjul har svært lite veigrep, kan likt dreiemoment på drivakslene begrense den nyttige trekkraften.
En differensialbrems eller elektronisk styrt differensial kan fordele dreiemomentet mekanisk med en skjevhet. Bremsebasert antispinnregulering kan bremse et hjul som spinner. En aksel med to uavhengige motorer kan styre dreiemomentet på venstre og høyre side elektrisk, men trenger fremdeles reduksjonsgir og kan bruke separate sluttdrev.
Flertrinnsgirkasser for elbiler
En ekstra valgbar utveksling kan kombinere et kort startgir med et lengre gir for høy hastighet. Mulige fordeler er høyere dreiemoment ved hjulene uten en overdimensjonert motor, et større toppfartsområde og muligheten til å flytte driftspunktene til en mer effektiv del av motorkartet.
Porsche Taycan er et serieprodusert eksempel. Bakakselen bruker et kort førstegir for gode ytelser fra stillestående og et lengre andregir for virkningsgrad og effektreserve ved høy hastighet, mens forakselen har en fast ett-trinns reduksjon.
Den ekstra utvekslingen gir også flere tannhjul, lagre, koblinger eller klokoblinger, en aktuator, styring, større smørebehov, mer masse og høyere kostnader, kalibrering av girskift og mulige avbrudd i dreiemomentet. En motor med et bredere turtallsområde og én fast utveksling kan gi lavere kostnad og bedre virkningsgrad for bilen som helhet. Derfor er flertrinnsgirkasser fortsatt unntaket, ikke standardløsningen, i elektriske personbiler.
Frakobling og drivenheter med flere motorer
En firehjulsdrevet elbil kan bære med seg en inaktiv sekundærmotor under jevn kjøring. En frakoblingskobling kan skille denne motoren og deler av tannhjulsrekken fra hjulene og dermed redusere elektromagnetiske tap samt tap i lagre og tetninger og ved omrøring av oljen. Ulempene er en mer kompleks aktuator, innkoblingstid, ekstra masse og enda en mekanisme med kritiske krav til holdbarhet.
En induksjonsmotor kan ofte gjøres strømløs med lav elektromagnetisk motstand, noe som reduserer behovet for en mekanisk frakobling. En permanentmagnetmotor fortsetter å skape rotorfluks, men omhyggelig styring av vekselretteren og tannhjul med lave tap kan likevel gjøre drift uten dreiemoment praktisk mulig.
Virkningsgrad, smøring og støy
Tap i tannhjul oppstår ved glidning og rulling mellom tennene, i lagre og tetninger, ved omrøring av olje, i pumper og gjennom differensialens bevegelse. Virkningsgraden varierer med hastighet, dreiemoment, oljetemperatur, oljenivå, overflatefinish på tennene, forspenning av lagrene og smøremetode. En oppgitt maksimal virkningsgrad for en girkasse representerer ikke tapene gjennom en hel kjøresyklus.
Høyt motorturtall flytter tanninngrepsfrekvensene inn i akustisk følsomme områder. Tannmikrogeometri, valg av utveksling, stivheten i aksler og hus, lagerstøtte, rotorbalansering og vekselretterens harmoniske frekvenser påvirker alle hvinelyden som høres i kupeen. Et mer stillegående tannhjul kan kreve et kompromiss når det gjelder kontaktspenning, produksjonskostnad eller virkningsgrad.
Oljen må beskytte tenner og lagre uten å forårsake overdreven omrøring. Noen integrerte drivenheter bruker en elektrisk pumpe og et tørrsumpsystem for å føre olje dit den trengs, uten at de roterende tannhjulene står dypt nedsenket.
Slik tolkes oppgitt dreiemoment
Motormoment måles før reduksjonen, mens aksel- eller hjulmoment måles etter den. Når motormomentet ganges med en stor girutveksling, får man et høyt tall for dreiemomentet ved hjulene. Effekt og akselerasjon er likevel begrenset av motorturtall, batterieffekt, vekselretterens grenser, dekkgrep, bilens masse og tap.
Kontroller målepunktet, om tallet er en toppverdi eller kontinuerlig verdi, om det gjelder én aksel eller hele bilen, og om utvekslingen endres mellom girene. Uten disse opplysningene kan dreiemomenttall fra ulike elbiler ikke sammenlignes direkte.
Tilbake til Electric Motors and Drive Units.