Reduktionsväxlar och transmissioner i elbilar
De flesta elbilar som marknadsförs med en ”enväxlad transmission” innehåller ändå kugghjul. En fast reduktion omvandlar motorns höga rotationshastighet till lägre hjulhastighet och högre vridmoment vid hjulen. Endast en verklig direktdrift eller en konstruktion med hjulmotorer kan klara sig utan detta reduktionssteg.
Varför en elbil behöver reduktionsväxel
Drivmotorer kan arbeta vid många tusen varv per minut, medan ett hjul på vägen roterar betydligt långsammare. En reduktionsutväxling gör att en kompakt höghastighetsmotor kan arbeta i en användbar del av sitt varvtals- och verkningsgradsdiagram.
Om man bortser från däckdeformation, differentialens funktion och förluster:
vridmoment vid hjulen ≈ motorvridmoment × reduktionsutväxling × drivlinans verkningsgrad
En reduktion på 9:1 multiplicerar därför axelvridmomentet med något mindre än nio efter de mekaniska förlusterna. Det innebär också att motorn roterar ungefär nio varv för varje hjulvarv. En reduktionsväxel skapar ingen effekt; den byter hastighet mot vridmoment.
Fasta enväxlade reduktioner
Standardlösningen i elektriska personbilar är en fast utväxling för varje drivande axel. Kugghjulståget kan använda ett eller två reduktionssteg med snedskurna eller rakskurna kugghjul, ett planetväxelsteg eller en kombination. Motorn kan placeras koaxialt med axeln eller parallellt med den, vilket påverkar antalet axlar, lagerbelastningarna, enhetens form och kugghjulsgeometrin.
En fast utväxling eliminerar behovet av växlingsställdon och avbrott i vridmomentet. Elmotorer kan starta från stillastående, byta rotationsriktning elektriskt och arbeta över ett brett område med konstant vridmoment och konstant effekt. Därför behöver de flesta elbilar inte de många utväxlingar som håller en förbränningsmotor nära ett smalt och effektivt varvtalsområde.
”En växel” beskriver antalet valbara utväxlingar, inte antalet kuggingrepp. En fast reduktionsenhet med två steg kan fortfarande vara en enväxlad transmission.
Val av utväxling
En kortare total reduktionsutväxling — alltså ett numeriskt större förhållande — höjer vridmomentet vid hjulen vid start och i uppförsbackar, men får motorn att rotera snabbare vid alla körhastigheter. Motorns maximala varvtal kan då begränsa bilens toppfart, medan en hög elektrisk frekvens kan öka järn-, växelriktar-, luftmotstånds- och lagerförlusterna.
En längre utväxling sänker motorvarvtalet vid en viss hastighet och kan ge högre toppfart, men kräver mer motorvridmoment och ström för samma kraft vid hjulen. Det kan öka koppar- och växelriktarförlusterna och kan kräva en större motor.
Ingenjörerna väljer utväxlingen tillsammans med däckens rullradie, bilens massa, backtagningsförmåga, mål för släpvagnsdragning, toppfart, motorns vridmoments- och varvtalskurva, verkningsgradsdiagram, spänning, växelriktarström, kylning och buller. En ändring av hjulens eller däckens diameter ändrar också den effektiva utväxlingen mot vägen.
Differentialen
En vanlig öppen differential låter vänster och höger hjul rotera med olika hastighet i en kurva samtidigt som den överför i stort sett samma vridmoment genom sina sidodrev. Den garanterar inte samma effekt, och när ett hjul har mycket dåligt grepp kan lika stort vridmoment på drivaxlarna begränsa den användbara drivkraften.
En differentialbroms eller elektroniskt styrd differential kan mekaniskt fördela vridmomentet ojämnt. Bromsbaserad antispinnreglering kan bromsa ett hjul som spinner. En axel med två oberoende motorer kan styra vridmomentet på vänster och höger sida elektriskt, men behöver fortfarande reduktionsväxlar och kan använda separata slutväxlar.
Flerstegstransmissioner för elbilar
En andra valbar utväxling kan kombinera en kort startväxel med en längre växel för höga hastigheter. Möjliga fördelar är högre vridmoment vid hjulen utan en överdimensionerad motor, ett bredare toppfartsområde och möjligheten att flytta driftpunkterna till en effektivare del av motorns diagram.
Porsche Taycan är ett serieproducerat exempel. Bakaxeln använder en kort första växel för bra startprestanda och en längre andra växel för verkningsgrad och effektreserv vid hög hastighet, medan framaxeln använder en fast enväxlad reduktion.
Den andra utväxlingen medför också ytterligare kugghjul, lager, kopplingar eller klokopplingar, ett ställdon, styrsystem, större smörjbehov, mer massa och högre kostnad, växlingskalibrering och möjliga avbrott i vridmomentet. En motor med ett bredare varvtalsområde och en enda fast utväxling kan ge bättre kostnad och verkningsgrad för fordonet som helhet. Därför är flerstegstransmissioner fortfarande undantaget snarare än standardlösningen i elektriska personbilar.
Frikoppling och drivenheter med flera motorer
En fyrhjulsdriven elbil kan bära med sig en inaktiv sekundär motor under jämn körning. En frikopplingskoppling kan skilja denna motor och en del av dess kugghjulståg från hjulen, vilket minskar elektromagnetiska förluster samt förluster i lager och tätningar och från omrörning av oljan. Nackdelarna är ställdonets komplexitet, inkopplingstid, extra massa och ytterligare en mekanism med kritiska krav på hållbarhet.
En induktionsmotor kan ofta göras strömlös med lågt elektromagnetiskt släpmotstånd, vilket minskar behovet av en mekanisk frikoppling. En permanentmagnetmotor fortsätter att skapa rotorflöde, men noggrann styrning av växelriktaren och en kugghjulskonstruktion med små förluster kan ändå göra drift utan vridmoment praktiskt möjlig.
Verkningsgrad, smörjning och ljud
Kugghjulsförluster uppstår genom tändernas glidning och rullning, i lager och tätningar, genom omrörning av oljan, i pumpar och genom differentialens rörelser. Verkningsgraden varierar med hastighet, vridmoment, oljetemperatur, oljenivå, tändernas ytfinish, lagrens förspänning och smörjmetoden. En angiven maximal verkningsgrad för en växellåda motsvarar inte förlusterna under en hel körcykel.
Höga motorvarvtal förskjuter kuggingreppsfrekvenserna till akustiskt känsliga områden. Tändernas mikrogeometri, valet av utväxling, styvheten i axlar och hus, lagerstödet, rotorbalanseringen och växelriktarens övertoner påverkar alla det vinande ljud som hörs i kupén. Ett tystare kugghjul kan kräva en kompromiss i fråga om kontaktspänning, tillverkningskostnad eller verkningsgrad.
Oljan måste skydda tänder och lager utan att orsaka överdriven omrörning. Vissa integrerade drivenheter använder en elektrisk pump och ett torrsumpsystem för att leverera olja där den behövs utan att de roterande kugghjulen är djupt nedsänkta.
Så ska uppgifter om vridmoment läsas
Motorvridmoment mäts före reduktionen, medan axel- eller hjulvridmoment mäts efter den. Om motorvridmomentet multipliceras med ett stort utväxlingsförhållande blir siffran för vridmomentet vid hjulen hög, men effekt och acceleration begränsas fortfarande av motorvarvtal, batterieffekt, växelriktarens gränser, däckgrepp, fordonsmassa och förluster.
Kontrollera mätpunkten, om uppgiften gäller toppvärde eller kontinuerligt värde, om den avser en axel eller hela fordonet och om utväxlingen ändras mellan växlarna. Utan dessa uppgifter går det inte att direkt jämföra vridmomentsiffror från olika elbilar.
Tillbaka till Electric Motors and Drive Units.