Reductietandwielen en transmissies in elektrische auto’s
De meeste elektrische auto’s die met een ‘transmissie met één versnelling’ worden aangeprezen, bevatten nog steeds tandwielen. Een vaste reductie zet het hoge toerental van de motor om in een lager wieltoerental en een hoger wielkoppel. Alleen een echte directe aandrijving of een constructie met wielmotoren kan zonder deze reductietrap.
Waarom een elektrische auto een reductie nodig heeft
Tractiemotoren kunnen met vele duizenden omwentelingen per minuut draaien, terwijl een wiel op de weg veel langzamer roteert. Dankzij een reductieverhouding kan een compacte hogesnelheidsmotor in een gunstig deel van zijn toerental- en rendementskaart werken.
Als bandvervorming, de werking van het differentieel en verliezen buiten beschouwing blijven:
wielkoppel ≈ motorkoppel × reductieverhouding × rendement van de aandrijflijn
Een reductie van 9:1 vermenigvuldigt het askoppel na mechanische verliezen dus met iets minder dan negen. Dit betekent ook dat de motor ongeveer negen keer draait voor één omwenteling van het wiel. Een tandwielreductie creëert geen vermogen; zij ruilt snelheid in voor koppel.
Vaste reducties met één versnelling
De standaardoplossing voor elektrische personenauto’s is één vaste verhouding per aangedreven as. De tandwieltrein kan één of twee reductietrappen met schuine of rechte vertanding, een planetaire trap of een combinatie daarvan gebruiken. De motor kan coaxiaal met de as of evenwijdig daaraan worden geplaatst, wat invloed heeft op het aantal assen, de lagerbelastingen, de vorm van de eenheid en de tandwielgeometrie.
Een vaste verhouding vermijdt schakelactuatoren en onderbrekingen van het koppel. Elektromotoren kunnen vanuit stilstand starten, elektrisch van draairichting veranderen en over een breed gebied met constant koppel en constant vermogen werken. Daarom hebben de meeste elektrische auto’s niet de vele verhoudingen nodig waarmee een verbrandingsmotor dicht bij een smal, efficiënt toerentalgebied wordt gehouden.
‘Eén versnelling’ beschrijft het aantal selecteerbare verhoudingen, niet het aantal tandwielingrepen. Een vaste reductie-eenheid met twee trappen kan nog steeds een transmissie met één versnelling zijn.
De verhouding kiezen
Een kortere totale reductieverhouding — dus een numeriek grotere verhouding — verhoogt het wielkoppel bij het wegrijden en bergop rijden, maar laat de motor bij elke rijsnelheid sneller draaien. Het maximale motortoerental kan dan de topsnelheid van de auto beperken, terwijl een hoge elektrische frequentie de ijzer-, omvormer-, ventilatie- en lagerverliezen kan vergroten.
Een langere verhouding verlaagt het motortoerental bij een bepaalde rijsnelheid en kan de topsnelheid verhogen, maar vereist meer motorkoppel en stroom voor dezelfde kracht aan de wielen. Dit kan de koper- en omvormerverliezen vergroten en kan een grotere motor noodzakelijk maken.
Ingenieurs kiezen de verhouding in samenhang met de rolstraal van de banden, de voertuigmassa, het klimvermogen, het beoogde trekgewicht, de topsnelheid, de koppel-toerentalkromme en rendementskaart van de motor, de spanning, de omvormerstroom, de koeling en het geluid. Een andere wiel- of banddiameter verandert ook de effectieve overbrenging naar de weg.
Het differentieel
Een conventioneel open differentieel laat het linker- en rechterwiel in een bocht met verschillende snelheden draaien en brengt via de satelliet- en zonnewielen in wezen hetzelfde koppel over. Het garandeert geen gelijk vermogen. Wanneer één wiel zeer weinig grip heeft, kan het gelijke koppel op de aandrijfassen de bruikbare aandrijfkracht beperken.
Een sperdifferentieel of elektronisch geregeld differentieel kan het koppel mechanisch ongelijk verdelen. Remgebaseerde tractieregeling kan een doorslippend wiel afremmen. Een as met twee onafhankelijke motoren kan het koppel links en rechts elektrisch regelen, maar heeft nog steeds reductietandwielen nodig en kan afzonderlijke eindaandrijvingen gebruiken.
Transmissies met meerdere versnellingen voor elektrische auto’s
Een tweede selecteerbare verhouding kan een korte wegrijversnelling combineren met een langere versnelling voor hoge snelheden. Mogelijke voordelen zijn een hoger wielkoppel zonder een overgedimensioneerde motor, een groter topsnelheidsbereik en de mogelijkheid om werkpunten naar een efficiënter deel van de motorkaart te verplaatsen.
De Porsche Taycan is een productievoorbeeld. De achteras gebruikt een korte eerste versnelling voor goede wegrijprestaties en een langere tweede versnelling voor efficiëntie en vermogensreserve bij hoge snelheid, terwijl de vooras een vaste reductie met één versnelling gebruikt.
De tweede verhouding voegt ook tandwielen, lagers, koppelingen of klauwkoppelingen, een actuator, regelingen, een grotere smeerbehoefte, massa, kosten, schakelkalibratie en een mogelijke koppelonderbreking toe. Een motor met een breder toerentalbereik en één vaste verhouding kan op voertuigniveau voordeliger en efficiënter zijn. Daarom blijven transmissies met meerdere versnellingen bij elektrische personenauto’s de uitzondering in plaats van de standaard.
Ontkoppelingen en aandrijfeenheden met meerdere motoren
Een elektrische auto met vierwielaandrijving kan tijdens constante rit een inactieve secundaire motor meedragen. Een ontkoppelingskoppeling kan deze motor en een deel van zijn tandwieltrein van de wielen scheiden, waardoor elektromagnetische verliezen en verliezen in lagers en afdichtingen en door olieomwoeling afnemen. Nadelen zijn de complexiteit van de actuator, de inschakeltijd, extra massa en nog een mechanisme dat kritisch is voor de duurzaamheid.
Een inductiemotor kan vaak spanningsloos worden gemaakt met weinig elektromagnetische weerstand, waardoor een mechanische ontkoppeling minder nodig is. Een permanentmagneetmotor blijft rotorflux opwekken, maar een zorgvuldige regeling van de omvormer en een tandwielontwerp met geringe verliezen kunnen bedrijf zonder koppel toch praktisch maken.
Rendement, smering en geluid
Tandwielverliezen ontstaan door het glijden en rollen van de tanden, in lagers en afdichtingen, door olieomwoeling, in pompen en door de beweging van het differentieel. Het rendement varieert met snelheid, koppel, olietemperatuur, oliepeil, tandafwerking, lagervoorspanning en smeermethode. Een opgegeven maximaal versnellingsbakrendement is niet gelijk aan de verliezen over een volledige rijcyclus.
Een hoog motortoerental brengt de tandingrijpfrequenties in akoestisch gevoelige gebieden. De microgeometrie van de tanden, de keuze van de verhouding, de stijfheid van assen en behuizing, de lagerondersteuning, de rotorbalans en de harmonischen van de omvormer beïnvloeden allemaal de janktoon die in het interieur hoorbaar is. Een stiller tandwiel kan een compromis vergen op het gebied van contactspanning, productiekosten of rendement.
De olie moet tanden en lagers beschermen zonder overmatige omwoeling te veroorzaken. Sommige geïntegreerde aandrijfeenheden gebruiken een elektrische pomp en een droogcartersysteem om olie aan te voeren waar die nodig is, zonder dat de draaiende tandwielen diep ondergedompeld blijven.
Koppelopgaven interpreteren
Het motorkoppel wordt vóór de reductie gemeten; het as- of wielkoppel erna. Door het motorkoppel met een grote overbrengingsverhouding te vermenigvuldigen, ontstaat een hoog getal voor het wielkoppel. Vermogen en acceleratie blijven echter begrensd door het motortoerental, het batterijvermogen, de limieten van de omvormer, de grip van de banden, de voertuigmassa en verliezen.
Controleer het meetpunt, of een waarde een piek- of continumeting is, of deze één as of de volledige auto betreft en of de verhouding tussen de versnellingen verandert. Zonder deze gegevens zijn de koppelwaarden van verschillende elektrische auto’s niet rechtstreeks vergelijkbaar.
Terug naar Electric Motors and Drive Units.