Przekładnie redukcyjne i skrzynie biegów w samochodach elektrycznych
Większość samochodów elektrycznych reklamowanych jako wyposażone w „przekładnię jednobiegową” nadal ma koła zębate. Stała redukcja zamienia wysoką prędkość obrotową silnika na niższą prędkość kół i wyższy moment obrotowy na kołach. Tylko prawdziwy napęd bezpośredni lub konstrukcja z silnikami w kołach może obyć się bez tego stopnia redukcyjnego.
Dlaczego samochód elektryczny potrzebuje redukcji
Silniki trakcyjne mogą pracować z prędkością wielu tysięcy obrotów na minutę, podczas gdy koło jezdne obraca się znacznie wolniej. Przełożenie redukcyjne pozwala kompaktowemu, szybkoobrotowemu silnikowi pracować w korzystnym obszarze mapy prędkości i sprawności.
Pomijając odkształcenie opon, działanie mechanizmu różnicowego i straty:
moment obrotowy na kołach ≈ moment obrotowy silnika × przełożenie redukcyjne × sprawność układu napędowego
Redukcja 9:1 zwiększa zatem moment obrotowy na wale nieco mniej niż dziewięciokrotnie po uwzględnieniu strat mechanicznych. Oznacza to również, że na jeden obrót koła silnik wykonuje około dziewięciu obrotów. Redukcja nie wytwarza mocy; zamienia prędkość na moment obrotowy.
Stałe redukcje jednobiegowe
Standardowym rozwiązaniem w elektrycznych samochodach osobowych jest jedno stałe przełożenie dla każdej napędzanej osi. Układ kół zębatych może mieć jeden lub dwa stopnie redukcji z kołami o zębach skośnych lub prostych, stopień planetarny albo ich połączenie. Silnik można umieścić współosiowo z osią lub równolegle do niej, co wpływa na liczbę wałów, obciążenia łożysk, kształt zespołu i geometrię kół zębatych.
Stałe przełożenie eliminuje siłowniki zmiany biegów i przerwy w przekazywaniu momentu obrotowego. Silniki elektryczne mogą ruszać od zerowej prędkości, elektrycznie zmieniać kierunek obrotów i pracować w szerokim zakresie stałego momentu obrotowego i stałej mocy. Dlatego większość samochodów elektrycznych nie potrzebuje wielu przełożeń, które utrzymują silnik spalinowy w pobliżu jego wąskiego, efektywnego zakresu prędkości obrotowej.
Określenie „jednobiegowa” opisuje liczbę wybieranych przełożeń, a nie liczbę zazębień. Stały reduktor dwustopniowy nadal może być przekładnią jednobiegową.
Dobór przełożenia
Krótsze całkowite przełożenie redukcyjne — czyli liczbowo większe — zwiększa moment obrotowy na kołach podczas ruszania i podjazdu, ale powoduje szybsze obroty silnika przy każdej prędkości jazdy. Maksymalna prędkość obrotowa silnika może wtedy ograniczać prędkość maksymalną pojazdu, a wysoka częstotliwość elektryczna może zwiększać straty w żelazie, falowniku i łożyskach oraz straty wentylacyjne.
Dłuższe przełożenie zmniejsza prędkość obrotową silnika przy danej prędkości jazdy i może zwiększyć prędkość maksymalną, ale wymaga większego momentu silnika i większego natężenia prądu do wytworzenia tej samej siły na kołach. Może to zwiększyć straty w miedzi i falowniku oraz wymagać większego silnika.
Inżynierowie dobierają przełożenie razem z promieniem toczenia opon, masą pojazdu, zdolnością pokonywania wzniesień, założoną zdolnością holowania, prędkością maksymalną, charakterystyką momentu i prędkości silnika, mapą sprawności, napięciem, prądem falownika, chłodzeniem i hałasem. Zmiana średnicy koła lub opony również zmienia efektywne przełożenie względem drogi.
Mechanizm różnicowy
Konwencjonalny otwarty mechanizm różnicowy pozwala lewemu i prawemu kołu obracać się z różnymi prędkościami na zakręcie, przekazując przez koła boczne zasadniczo taki sam moment obrotowy. Nie gwarantuje jednakowej mocy, a gdy jedno koło ma bardzo małą przyczepność, równy moment na półosiach może ograniczyć użyteczną siłę napędową.
Mechanizm różnicowy o ograniczonym poślizgu lub sterowany elektronicznie może mechanicznie rozdzielać moment obrotowy w nierównych proporcjach. Kontrola trakcji wykorzystująca hamulce może spowolnić buksujące koło. Oś z dwoma niezależnymi silnikami może elektrycznie sterować momentem po lewej i prawej stronie, ale nadal wymaga przekładni redukcyjnych i może korzystać z oddzielnych przekładni głównych.
Wielobiegowe przekładnie do samochodów elektrycznych
Drugie wybierane przełożenie może łączyć krótki bieg do ruszania z dłuższym biegiem do dużych prędkości. Potencjalne korzyści to wyższy moment na kołach bez przewymiarowanego silnika, szerszy zakres prędkości maksymalnej i możliwość przesuwania punktów pracy do bardziej efektywnego obszaru mapy silnika.
Porsche Taycan jest przykładem samochodu seryjnego. Jego tylna oś korzysta z krótkiego pierwszego biegu dla dobrego przyspieszenia przy ruszaniu oraz dłuższego drugiego biegu dla sprawności i rezerwy mocy przy dużej prędkości, natomiast przednia oś ma stałą redukcję jednobiegową.
Drugie przełożenie oznacza również dodatkowe koła zębate, łożyska, sprzęgła lub sprzęgła kłowe, siłownik, układy sterowania, większe zapotrzebowanie na smarowanie, masę, koszty, kalibrację zmiany biegów i możliwe przerwy w przekazywaniu momentu. Silnik o szerszym zakresie prędkości z jednym stałym przełożeniem może zapewnić niższy koszt i lepszą sprawność całego pojazdu. Dlatego wielobiegowe przekładnie w elektrycznych samochodach osobowych pozostają wyjątkiem, a nie standardem.
Rozłączanie i zespoły napędowe z wieloma silnikami
Samochód elektryczny z napędem na wszystkie koła może podczas jazdy ze stałą prędkością przewozić nieaktywny silnik dodatkowy. Sprzęgło rozłączające może odłączyć ten silnik i część jego układu kół zębatych od kół jezdnych, zmniejszając straty elektromagnetyczne oraz straty w łożyskach i uszczelnieniach, a także straty wskutek mieszania oleju. Ceną jest złożoność siłownika, czas załączania, dodatkowa masa i kolejny mechanizm o krytycznym znaczeniu dla trwałości.
Silnik indukcyjny można często odłączyć od zasilania przy niewielkim oporze elektromagnetycznym, co zmniejsza potrzebę mechanicznego rozłączania. Silnik z magnesami trwałymi nadal wytwarza strumień w wirniku, ale staranne sterowanie falownikiem i konstrukcja przekładni o małych stratach mogą mimo to umożliwić praktyczną pracę z zerowym momentem obrotowym.
Sprawność, smarowanie i hałas
Straty w przekładni wynikają ze ślizgania i toczenia zębów, pracy łożysk i uszczelnień, mieszania oleju, pracy pomp oraz ruchu mechanizmu różnicowego. Sprawność zmienia się wraz z prędkością, momentem obrotowym, temperaturą i poziomem oleju, wykończeniem zębów, napięciem wstępnym łożysk i sposobem smarowania. Podana maksymalna sprawność skrzyni biegów nie odpowiada stratom podczas całego cyklu jazdy.
Wysoka prędkość obrotowa silnika przesuwa częstotliwości zazębienia do zakresów wrażliwych akustycznie. Mikrogeometria zębów, dobór przełożenia, sztywność wałów i obudowy, podparcie łożysk, wyważenie wirnika oraz harmoniczne falownika wpływają na wycie słyszalne w kabinie. Cichsze koło zębate może wymagać kompromisu w zakresie naprężeń stykowych, kosztów produkcji lub sprawności.
Olej musi chronić zęby i łożyska bez nadmiernego mieszania. Niektóre zintegrowane zespoły napędowe wykorzystują elektryczną pompę i układ suchej miski olejowej, aby dostarczać olej tam, gdzie jest potrzebny, bez głębokiego zanurzania obracających się kół zębatych.
Jak interpretować deklarowany moment obrotowy
Moment obrotowy silnika jest mierzony przed redukcją, a moment na osi lub kołach — po niej. Pomnożenie momentu silnika przez duże przełożenie daje wysoką wartość momentu na kołach, ale moc i przyspieszenie nadal są ograniczone przez prędkość silnika, moc akumulatora, limity falownika, przyczepność opon, masę pojazdu i straty.
Należy sprawdzić punkt pomiaru, czy podana wartość jest szczytowa, czy ciągła, czy dotyczy jednej osi, czy całego pojazdu, oraz czy przełożenie zmienia się między biegami. Bez tych informacji wartości momentu obrotowego różnych samochodów elektrycznych nie są bezpośrednio porównywalne.
Wróć do Electric Motors and Drive Units.