Почему у электромобилей нет коробок передач
Не все обыватели знают, что у электромобилей нет коробок передач. А многие, которые это знают, толком не могут объяснить почему именно, хотя, наверное догадываются. Но, оказывается, в природе существуют и EV, у которых КПП таки есть. Почему так обстоят дела с электрокарами? Вот это мы и будем разбирать в подробностях. Постараюсь пояснить все как можно более доходчиво, ну а начнем мы с основ.
Содержание:
- Для чего автомобилю коробка передач.
- Как работает электродвигатель на электрокарах.
- Редуктор в роли трансмиссии.
- Почему электрокар не нуждается в коробке передач.
- Пример работы электромотора на конкретном электромобиле (BMW i4 eDrive 40).
- Когда КПП нужна электромобилю, примеры использования, перспективы.
- Коробка Ingear от Inmotive для электрокаров.
- Подводим итоги.
Для чего автомобилю коробка передач
КПП транспортного средства передает крутящий момент ДВС или электродвигателя посредством набора шестерен на дифференциал — блок, вращающий колеса.
Итак, какие же конкретно обязанности у традиционной коробки передач на машине с бензиновым двигателем?
ДВС должен вращаться с разными скоростями. Как правило, диапазон его вращения находится в пределах 500–7000 об/мин. Агрегат не должен вращаться слишком медленно — иначе заглохнет, но в то же время он не должен крутиться слишком быстро — иначе начнет перегреваться.
Дабы компенсировать такие ограничения по оборотам, трансмиссия регулирует соотношение между вращением силового агрегата и вращением колес, предоставляя возможность переключения между низшей и высшей ступенями.
Самая низкая передача вращается медленнее мотора, что позволяет ДВС функционировать на достаточно высоких оборотах, чтобы не было его остановки. Здесь задействуется самая большая ведомая шестерня, передающая на колеса бОльшую силу, но меньшую скорость — ведь в этом случае главное сдвинуть авто с места, что требует недюжинных усилий.
Наивысшая же передача работает с «перегрузкой», что в свою очередь означает, что она вращается быстрее мотора. Это дает возможность транспортному средству передвигаться на высоких скоростях без риска перегреть силовой агрегат.
Машине с двигателем внутреннего сгорания КПП просто необходима, так как он конструктивно не может развивать одинаковое усилие во всем диапазоне оборотов коленчатого вала. Крутящий момент достигает рабочих значений в довольно узком «окне» на циферблате тахометра, а максимума — к его середине, а далее начинает падать.
Как работает электродвигатель на электрокарах
Начнем с того, что автомобили на электротяге радуют своих обладателей тихим, мгновенным и плавным разгоном. Это обусловлено спецификой работы электромотора.
У электрического движка, по сравнению с конструкцией работающей на горючем, диапазон рабочих оборотов значительно шире. Но в то же время, он все равно не сможет развивать какое-либо значительное усилие прям с «нуля» оборотов.
Электроника осуществляющая контроль не подаст на движок максимальный ток, пока тот не начнет хоть немного вращаться. Потому что если электромотор не выполняет работу, то вся поступающая на него энергия рассеивается в виде тепла.
Нижний предел оборотов для развития номинальной тяги у всех агрегатов работающих на электричестве разный и зависит от конструкции. Но все равно — он есть.
С верхним показателем посложнее выходит. С одной стороны, здесь имеют место ограничения по прочности, лимитирующие максимальные обороты ротора. С другой — температурные ограничения. Даже выполняя работу, за счет потерь мотор все равно нагревается, и в какой-то момент система охлаждения может не потянуть…
У электрических моторов, так же как и у двигателей внутреннего сгорания, имеется определенный диапазон рабочих оборотов, в котором они демонстрируют свою максимальную эффективность. Разница между электродвигателями и ДВС заключается в том, что у агрегатов работающих на горючем, эффективность вне оптимального диапазона оборотов падает на десятки процентов (вплоть до полной потери способности выполнять полезную работу). В случае же с электродвигателями, падение происходит на сотые доли.
Для практического использования это допустимо, и тут достаточно одного передаточного числа в трансмиссии.
Редуктор в роли трансмиссии
На большинстве EV установлен один электромотор переменного тока, состыкованный с «коробкой передач», передающей крутящий момент силового агрегата на колеса. Однако правильное название этого устройства с набором шестерен внутри не коробка передач, как именуют его некоторые, а односкоростной редуктор.
Данный узел снижает число оборотов движка до более приемлемых оборотов колес в соотношении приблизительно 8–10:1. Поэтому в электромобиле отсутствуют и механизм сцепления, и отключение передач, и переключение между передачами разного размера в зависимости от потребностей транспортного средства. Проще говоря, в EV нет трансмиссии.
Что касается заднего хода, то поскольку силовой агрегат в электромашине, как правило, работает на постоянном токе, отпадает надобность в передаче заднего хода. Мотор, когда нужно сдавать задом, просто крутится в противоположном направлении.
Соотношение мощности электромотора, его максимально эффективных рабочих оборотов и степени их понижения в редукторе подбирается разработчиками исходя из целевых характеристик автомобиля. Если это компактное авто для города, редукцию делают побольше, дабы обеспечить максимальную эффективность на низких скоростях. Тогда, между прочим, можно и движок послабее установить, что повлечет за собой бОльшую экономичность.
Для моделей Tesla и иных электрокаров более «дорогого» класса (либо рынка Америки) эффективными делают более высокие скорости для движения по хайвеям и автобанам.
Практически все полноприводные электрокары имеют разное передаточное число в редукторах передней и задней осей. Здесь электроника в зависимости от скорости движения определяет, какой из двигателей будет более эффективным, и отдает этому агрегату основную мощность. На пределе своих возможностей оба мотора тужатся только при резком ускорении или под максимальной нагрузкой. Такую схему можно представить как 2-ступенчатую КПП разнесенную между осями.
Почему электрокар не нуждается в коробке передач
Итак, в общем и целом, электрические автомобили обладают тремя свойствами, отсекающими в большинстве случаев потребность в КПП:
- Высокий крутящий момент электродвигателя с самых низких оборотов.
- Способность электродвигателя работать на достаточно высоких оборотах.
- Ограниченная электроникой максимальная скорость.
Разберем каждый из этих пунктов в подробностях.
Высокая тяга начиная с самых-самых «низов» говорит сама за себя. Ведь коробка передач в традиционном автомобиле нужна для увеличения крутящего момента, а поскольку он, в электрокаре, итак, пребывает на высоком уровне начиная практически с самого начала запуска агрегата, то и дополнительно увеличивать его с помощью КПП не требуется.
Однако решающее значение имеет возможность работы на относительно высоких оборотах. Поскольку такой аппарат может развивать до 20 000 оборотов в минуту при высоком крутящем моменте, и это доступно во всем рабочем диапазоне, максимальная скорость легко достигается всего при одном передаточном числе.
Ну и последнее — сдерживание максимальной скорости электромобиля. При таких относительно не высоких показателях максималки, традиционная коробка передач высокооборотистому электродвигателю просто не нужна. А урезают разработчики скорость из-за относительно низкого содержания энергии в современных высоковольтных батареях по сравнению с жидким топливом.
Естественно, если нет КПП, то снижается трение, возникающее при включении и выключении нескольких скоростей. Следовательно, уменьшается и износ. Также плавный ход по сравнению с переключением ступеней лучше поддерживает движение машины вперед, что является одной из причин, почему электрокары намного эффективнее в расходе энергии.
В целом «электричка» в среднем преобразовывает 77% электрической энергии, которая находится в высоковольтной батарее. Транспортное же средство оснащенное бензиновым ДВС преобразует 12–30% энергии топлива. Большая доля остального расходуется в виде тепла.
Эффективность передачи крутящего момента от мотора электрокара к его колесам колеблется в пределах 89–98%. А вот с традиционными авто с ДВС под капотом все совсем плохо: передача тяги от силового агрегата к колесам имеет эффективность всего 14–26%.
Пример работы электромотора на конкретном электромобиле
Ну и давайте посмотрим на пример, который поможет лучше понять, как все это «хозяйство» функционирует без КПП. Дело будем иметь с BMW i4 eDrive 40.
В распоряжении данной «электрички» максимальный крутящий момент 430 Ньютон-метров при 0–5000 об/мин. Суммарное передаточное число редуктора и главной передачи 11,115:1. Здесь выходит, что крутящий момент колеса составляет 4780 Нм! Теперь кстати понятно, почему электрокары являются королями светофоров.
А теперь представим, что максимальная скорость нашего подопечного достигает 190 км/ч. На таком показателе максималки, силовой агрегат электромашины будет вращаться с частотой 16 500 об/мин. При скорости передвижения в 130 км/ч электродвижок крутится с частотой около 11 300 об/мин. Здесь можно заметить, что диапазон оборотов мотора данной модели EV является достаточным для удовлетворения всех требований без надобности в коробке переменных передач.
Когда КПП нужна электромобилю, примеры использования, перспективы
А теперь переходим ко второй части темы — разберемся, когда коробка передач может сослужить машине на электротяге добрую службу.
Любому средству передвижения, будь то транспорт с ДВС или работающий на электричестве, для того, чтобы сдвинуться с места и начать движение, нужен больше крутящий момент, чем скорость. А вот когда машина уже достаточно хорошо разогналась, ей наоборот, требуется больше скорости, чем тяги.
Так разве EV не выиграют от использования нескольких передач? Да, но за счет более сложной конструкции с бОльшим количеством деталей, за счет большей массы и большего количества рабочих рук для сборки, а также за счет большей цепочки поставок. Иными словами, будут иметь место бОльшие затраты для пользователя как при покупке электрокара, так и при его обслуживании.
Тем не менее в распоряжении некоторых новых электрических машин несколько передач. Взять к примеру Porsche Taycan и Audi E-Tron GT, которые так популярны в России — у обоих стоит 2-ступенчатая коробка передач в заднем моторе. Такая система дает возможность «транспортировать» больший крутящий момент на колеса для улучшения ускорения.
В идеале хотелось бы иметь короткое передаточное число на низких и средних скоростях для более быстрого ускорения и более длинное передаточное число на высоких скоростях для снижения оборотов электродвигателя.
Почему нужно снижать обороты двигателя на высоких скоростях? Ну, по двум причинам. Во-первых, снижая обороты двигателя, мы повышаем его эффективность (за счет меньшей обратной ЭДС и вихревых токов), а значит, увеличивается и запас хода автомобиля. И вторая причина — слишком высокие обороты могут повлечь за собой негативные последствия для силового агрегата.
Проблема с внедрением 2-скоростных коробок передач заключается в том, что технически они не могут справиться с огромным и мгновенным крутящим моментом, который создают электродвигатели. Однако несмотря на это, некоторые производители в настоящее время разрабатывают 2-скоростные коробки передач для электромобилей.
Если им удастся наладить их масштабное производство с надежной конструкцией и разумной ценой, мы сможем увидеть, как они будут использоваться в более массовых автомобилях, а не только в суперкарах, таких как Porsche Taycan и Audi e-Tron GT. Пока же дополнительные технические сложности и высокая цена значительно перевешивают потенциальные преимущества подобных изделий.
А вот еще примеры электрокаров с коробками передач
Компания Jeep представила Wrangler Magneto, у которого вместо ДВС под капотом стоит электродвигатель. Так вот, самое любопытное в этом событии то, что ему оставили механическую коробку передач — при том что внедорожник полностью электрический! Доработанная трансмиссия сочетает в себе 6-ступенчатую «механику» и 2-ступенчатую «раздатку».
Для сохранения традиционной МКПП разработчикам пришлось настроить электродвигатель таким образом, дабы тот в точности соответствовал оригинальному V6 объемом 3,6 литра. В итоге электрическая силовая установка выдает 285 л. с. мощности и 370 Нм крутящего момента. Кривая мощности и крутящего момента отличается незначительно.
На данный момент электроджип имеет статус концептуальной разработки, но в будущем его планируют поставить на поток.
Гоночные автомобили, используемые в электрической Formula E, также оснащаются трансмиссиями.
Когда на рынок выйдут электрические грузовики, особенно 18-колесные, может быть, они будут иметь в своем распоряжении несколько передач и трансмиссию. Однако учитывая широкий диапазон оборотов в случае с электромотором, передач может быть всего две: одна для тяги, другая для крейсерской скорости.
Коробка Ingear от Inmotive для электрокаров
Ну и напоследок, как дополнение к теме, поговорим о 2-ступенчатой коробке передач от канадской компании, которую прям специально разрабатывали для EV. Как утверждают разработчики сего агрегата, являющегося по их мнению самой эффективной в мире «двухступкой» для «электричек», многоступенчатые КП могут преобразить электрокары и умножить их достоинства.
Ingear является полноценным предсерийным изделием. Инженеры уже успели обкатать свою разработку на подопытном электрокаре Kia Soul EV. Компания даже получила несколько отзывов от авторитетов в электромобильной отрасли. Вдобавок, всем желающим предоставляется возможность заказать коробку в предсерийном исполнении для личного тестирования.
Принцип работы этого довольно интересного устройства следующий:
У большинства автомобилей на электротяге между мотором и колесами стоят 2 редуктора. Ingear с цепным приводом и звездочкой с изменяемым диаметром внедряется вместо второго. Во время переключений добавляются либо убираются сегменты звездочки и поэтому связь мотора с колесами не прерывается ни на миг.
По расчетам инженеров компании, «Ингир» должна давать такие результаты:
- увеличение запаса хода на 7–15%;
- возрастание динамических характеристик на 15%;
- позволяет оптимизировать характеристики аккумулятора, инвертора, а также силового агрегата. По этой причине понизится себестоимость всей конструкции, сократится масса и вдобавок станет выше суммарная эффективность. Это относится как к легковым автомобилям и кроссоверам с внедорожниками, так и к автобусам, грузовикам и иным транспортным средствам включая мототехнику.
А вот еще одно достоинство: переключение между ступенями происходит почти незаметно. И это не пустые заявления — данная особенность уже была подтверждена несколькими независимыми водителями, которых канадская компания пригласила на тест-драйв прототипа. Испытатели утверждают, что если не наблюдать за информационной панелью, организованную из обыкновенного ноутбука, подсоединенного к диагностическому каналу, и не прислушиваться к ощущениям, переход между передачами уловить реально очень трудно.
Конечно, выше приведенные заявления довольно смелые, больше похожие на маркетинговый ход. Но, к данной разработке уже проявили интерес некоторые крупные производители запчастей, что подтверждают разные источники. В общем, поживем — увидим…
Подводим итоги
Итак, как видим, электрические машины вполне обходятся без коробок передач. Причина этому — специфика функционирования электрического агрегата. Устройство развивает пиковый крутящий момент практически с нуля оборотов и держит его в широком диапазоне.
Коробка передач же нужна для того, чтобы облегчить жизнь мотора с первых оборотов, то есть чтобы легче было сдвинуть транспортное средство с места. В случае с ДВС из-за специфики его работы, она точно нужна, ибо мощной тягой прям с нуля оборотов там и не пахнет — без дополнительных механизмов ДВС просто не потянет старт машины. Ну а его электрический экологически чистый коллега справляется и собственными силами!
Теперь вторая особенность электродвижка, из-за которой ему не нужна КПП — агрегат может раскручиваться до очень высоких оборотов. Электродвигатель переменного тока может развивать более чем 10 000 об/мин.
Действительно, зачем ему та коробка, которая компенсирует недостаток оборотов у ДВС для развития высоких скоростей, если, к примеру, силовая установка Tesla Model S Plaid 2021 может «раскочегариться» аж до 23 308 об/мин, что позволяет этой модели развивать скорость до 320 км/ч!
Поэтому, зачем собственно усложнять конструкцию электромашины со всеми вытекающими, если, итак, все работает лучше не придумаешь?
Тот механизм электрокара, через который тяга передается от двигателя к колесам и который некоторые называют «коробкой передач», на самом деле является 1-скоростным редуктором, так что — не путайте.
Но, несмотря на выше сказанное, некоторые разработчики таки пытаются извлечь пользу из применения 2-ступенчатых коробок. Porsche Taycan и Audi e-Tron GT тому пример. Ну, им видней…
В любом случае, коробки переменных передач для электрокаров однозначно получат развитие. Не факт, что подобные «шедевры инженерной мысли» станут массовыми, однако при определенных условиях такие агрегаты могут значительно увеличить эффективность электромобилей.
Решение Inmotive выглядит продуманным и уж очень хотелось бы поскорей опробовать его в деле. Про ZF, которая также работает в подобном направлении, пока толком ничего не слышно, а вот изделия VAG с коробками уже давно колесят по миру, и отзывы о них, в целом, носят положительный характер.
- Стильненький снаружи, классненький внутри: обзор Avatr 11 - 30 ноября, 2023
- Расширяем «горизонты человечества»: обзор Gaoshe HiPhi X - 2 ноября, 2023
- Самый динамичный и авангардный серийный минивэн в мире: обзор электрокара Zeekr 009 - 28 сентября, 2023
