Redutores e transmissões de veículos elétricos
A maioria dos veículos elétricos anunciados com uma «transmissão de uma velocidade» continua a incluir engrenagens. Uma redução fixa converte a elevada velocidade de rotação do motor numa velocidade das rodas mais baixa e num binário às rodas mais elevado; só uma verdadeira transmissão direta ou uma configuração com motores nas rodas pode dispensar essa etapa de redução.
Porque é que um veículo elétrico precisa de redução
Os motores de tração podem funcionar a muitos milhares de rotações por minuto, enquanto uma roda em contacto com a estrada gira muito mais lentamente. Uma relação de redução permite que um motor compacto de alta rotação trabalhe numa zona útil do seu mapa de velocidade e eficiência.
Ignorando a deformação dos pneus, a ação do diferencial e as perdas:
binário às rodas ≈ binário do motor × relação de redução × eficiência da cadeia cinemática
Uma redução de 9:1 multiplica, portanto, o binário no veio por um pouco menos de nove depois das perdas mecânicas. Também significa que o motor gira cerca de nove vezes por cada rotação da roda. A redução não cria potência; troca velocidade por binário.
Reduções fixas de uma velocidade
A solução habitual nos automóveis elétricos de passageiros é uma relação fixa para cada eixo motriz. O trem de engrenagens pode utilizar uma ou duas etapas de redução com engrenagens helicoidais ou de dentes retos, uma etapa planetária ou uma combinação. O motor pode ficar coaxial com o eixo ou paralelo a este, alterando o número de veios, as cargas nos rolamentos, a forma do conjunto e a geometria das engrenagens.
Uma relação fixa evita atuadores de mudança e interrupções do binário. Os motores elétricos podem arrancar a partir da imobilidade, inverter eletricamente o sentido de rotação e funcionar numa ampla gama de binário constante e potência constante. Por isso, a maioria dos veículos elétricos não precisa das muitas relações utilizadas para manter um motor de combustão perto de uma estreita faixa de rotação eficiente.
«Uma velocidade» descreve o número de relações selecionáveis, não o número de engrenamentos. Um redutor fixo de duas etapas pode continuar a ser uma transmissão de uma velocidade.
Escolha da relação
Uma relação de redução total mais curta — numericamente maior — aumenta o binário às rodas no arranque e em subidas, mas faz com que o motor gire mais depressa a todas as velocidades do veículo. A rotação máxima do motor pode então limitar a velocidade máxima do veículo, enquanto uma frequência elétrica elevada pode aumentar as perdas no ferro, no inversor e nos rolamentos, bem como as perdas aerodinâmicas internas.
Uma relação mais longa reduz a rotação do motor a uma determinada velocidade de circulação e pode aumentar a velocidade máxima, mas exige mais binário do motor e mais corrente para produzir a mesma força nas rodas. Isto pode aumentar as perdas no cobre e no inversor e pode exigir um motor maior.
Os engenheiros escolhem a relação em conjunto com o raio de rolamento dos pneus, a massa do veículo, a capacidade de subida, o objetivo de reboque, a velocidade máxima, a curva de binário e velocidade do motor, o mapa de eficiência, a tensão, a corrente do inversor, o arrefecimento e o ruído. Alterar o diâmetro da roda ou do pneu também modifica a relação efetiva com a estrada.
O diferencial
Um diferencial aberto convencional permite que as rodas esquerda e direita rodem a velocidades diferentes numa curva, enquanto transmite um binário essencialmente igual através das suas engrenagens laterais. Não garante a mesma potência e, quando uma roda tem muito pouca aderência, o binário igual nos semieixos pode limitar a força motriz útil.
Um diferencial autoblocante ou controlado eletronicamente pode repartir mecanicamente o binário de forma desigual. O controlo de tração baseado nos travões pode abrandar uma roda que patina. Um eixo com dois motores independentes pode controlar eletricamente o binário esquerdo e direito, mas continua a precisar de engrenagens redutoras e pode utilizar caminhos de redução final separados.
Transmissões de várias velocidades para veículos elétricos
Uma segunda relação selecionável pode combinar uma mudança curta para o arranque com uma mais longa para velocidades elevadas. Os potenciais benefícios são um binário às rodas superior sem um motor sobredimensionado, uma gama de velocidade máxima mais ampla e a possibilidade de deslocar os pontos de funcionamento para uma zona mais eficiente do mapa do motor.
O Porsche Taycan é um exemplo de produção. O eixo traseiro utiliza uma primeira mudança curta para melhorar o desempenho no arranque e uma segunda mais longa para obter eficiência e reserva de potência a alta velocidade, enquanto o eixo dianteiro utiliza uma redução fixa de uma velocidade.
A segunda relação acrescenta também engrenagens, rolamentos, embraiagens ou acoplamentos de garras, um atuador, controlos, maior necessidade de lubrificação, massa, custo, calibração das mudanças e uma possível interrupção do binário. Um motor com uma gama de rotações mais ampla e uma só relação fixa pode oferecer melhores custos e eficiência ao nível do veículo. É por isso que as transmissões de várias velocidades continuam a ser a exceção, e não a regra, nos automóveis elétricos.
Desacoplamentos e unidades de propulsão com vários motores
Um veículo elétrico com tração integral pode transportar um motor secundário inativo durante a circulação estabilizada. Uma embraiagem de desacoplamento pode separar esse motor e parte do seu trem de engrenagens das rodas, reduzindo as perdas eletromagnéticas e as perdas nos rolamentos e vedantes e por agitação do óleo. A contrapartida é a complexidade do atuador, o tempo de acoplamento, a massa e mais um mecanismo crítico para a durabilidade.
Um motor de indução pode frequentemente ser desativado com pouco arrasto eletromagnético, reduzindo a necessidade de um desacoplamento mecânico. Um motor de ímanes permanentes continua a criar fluxo no rotor, mas um controlo cuidadoso do inversor e um projeto de engrenagens com baixas perdas podem ainda tornar prático o funcionamento com binário nulo.
Eficiência, lubrificação e ruído
As perdas nas engrenagens resultam do deslizamento e rolamento dos dentes, dos rolamentos, dos vedantes, da agitação do óleo, das bombas e do movimento do diferencial. A eficiência varia com a velocidade, o binário, a temperatura e o nível do óleo, o acabamento dos dentes, a pré-carga dos rolamentos e o método de lubrificação. A eficiência máxima anunciada para uma caixa de velocidades não representa as perdas durante todo um ciclo de condução.
A elevada rotação do motor desloca as frequências de engrenamento para gamas acusticamente sensíveis. A microgeometria dos dentes, a escolha da relação, a rigidez dos veios e da carcaça, o apoio dos rolamentos, a equilibragem do rotor e as harmónicas do inversor afetam o silvo ouvido no habitáculo. Uma engrenagem mais silenciosa pode exigir um compromisso na tensão de contacto, no custo de fabrico ou na eficiência.
O óleo tem de proteger os dentes e os rolamentos sem provocar uma agitação excessiva. Algumas unidades de propulsão integradas utilizam uma bomba elétrica e uma estratégia de cárter seco para fornecer óleo onde é necessário sem deixar as engrenagens rotativas profundamente imersas.
Como interpretar os valores de binário
O binário do motor é medido antes da redução; o binário no eixo ou nas rodas é medido depois. Multiplicar o binário do motor por uma relação de engrenagens elevada produz um número elevado de binário às rodas, mas a potência e a aceleração continuam limitadas pela rotação do motor, pela potência da bateria, pelos limites do inversor, pela aderência dos pneus, pela massa do veículo e pelas perdas.
Verifique o ponto de medição, se o valor é de pico ou contínuo, se abrange um eixo ou o veículo completo e se a relação muda entre as mudanças. Sem esses pormenores, os valores de binário de diferentes veículos elétricos não são diretamente comparáveis.
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