Машины будущего или зачем нужен электромотор в коробке передач

Механическая коробка рассматривается в качестве основной на большинстве моделей машин.

Но машины на электротяге, а также гибриды, на протяжении длительного времени использовали исключительно автоматические коробки передач, по причине невозможности совмещения человеческого фактора со сложным алгоритмом работы силовой установки. Но корейская компания поставила себе целью более массового распространения гибридных моторов, осуществила разработку механической коробки высокой надежности, имеющую возможность самостоятельного комбинирования тяги сразу от двух моторов. Наиболее оптимальным вариантом эта коробка становится для тех водителей, предпочитающих активный стиль в вождении, и желающих всегда держать машину под контролем.

Гибрид спортивного стиля. В странах Европы успешно введены стандарты экологии типа Евро-6. Теперь машины могут соответствовать им только при частом включении и выключении моторов, особенно при движении накатом и остановках в пробках и на светофорах. Достичь этого можно при помощи использования гибридных технологий. Компанией Hyundai была осуществлена разработка массовой гибридной установки, планируемая для модели Ceed. Кроме того, для нее был разработан проект умной механической коробки. При ее наличии, от водителя не требуется точной работы ногами, как это нужно делать в уже имеющихся моделях.

Ее разработка была выполнена в Европейском техническом центре, находящемся в городе Оффенбах, Германия. Руководство проектом осуществлял доктор Михаэль Винклер. Эта деталь представляет собой гибридное устройство, которое, кроме трансмиссии, может отдавать команду на включение и мотор-генератора. То есть, после ее установки, любой автомобиль становится гибридным.

Отключение мотора в движении. Отличием от сцепления стандартной конструкции с механическим приводом является то, что в iMT он управляется исключительно электроникой. Но селектором, по-прежнему, следует управлять в ручном режиме, и перемещается он в пазах в форме буквы Н.

Коробка является комбинированной системой, в составе которой имеется трансмиссия, электрический двигатель и муфта сцепления, получившая вместо стандартного набора дисков сухого типа несколько усложненную конструкцию, позволяющую моментально отключить выходной вал электрического мотора от трансмиссии. Во внутренней части КПП устанавливается специальный электромотор, поддерживающий колесную тягу при движении накатом, и создающий добавочный крутящий момент при разгоне. Это позволяет выключить мотор, даже если машина находится в движении. Разрыв вала и трансмиссии осуществляется на довольно долгое время, что дает возможность экономить не только топливо, но и рабочий ресурс самого устройства.

При отключении мотора, передача, выбранная на этот момент, не выключается, а сцепление разрывается, что дает возможность мотору без проблем перезапуститься по ходу движения. Для того, чтобы запустить двигатель, водитель должен всего лишь коснуться педали газа.

В том случае, если при движении накатом машина слишком замедлилась, а двигатель вращается с недостаточной частотой, он будет перезапущен системой на нейтральной передаче, после чего включена требуемая передача. Водитель не должен вмешиваться в работу КПП, ему достаточно лишь вставлять электронный селектор КПП в нужные пазы, а система уже активирует их самостоятельно.

Итог. Установка новой трансмиссии будет осуществляться на гибридные модели Hyundai и KIA, в качестве силовой установки на которых используются мягко-гибридные моторы, с основой в виде двигателей Smartstream. Кроме того, их можно будет увидеть на модели RIO EcoDynamics, начало продаж которой запланировано на третий квартал текущего года.

Электрические передачи

В электрических передачах крутящий момент и мощность с ведущего звена (генератора) на ведомое звено (электромотор) передается электрическим током но проводам. Мощность N, кВт, в цепи постоянного тока определяется произведением напряжения U, В, и силы гока I, А:

Электрические передачи не обладают внутренним автоматизмом, для изменения передаточного числа требуется САУ. Однако для электрической передачи не нужен механизм реверса. Задний ход обеспечивается изменением направления вращения электромоторов. Обычно не нужна и муфта начала движения.

Рис. Схемы трансмиссий автомобилей с гидрообъемными или с электрическими передачами:
а — при использовании мотор-колес; б — при использовании ведущего моста; Н — насос; ГМ — гидромотор; Г — генератор; ЭМ — электромотор

Электропередачи (как и гидрообъемные передачи) по сравнению с фрикционными и гидродинамическими имеют гораздо более широкие компоновочные возможности. Они могут быть частью комбинированной электромеханической коробки передач при последовательном или параллельном соединении с механическим редуктором. Такие конструкции из-за больших размеров электромашин на автомобилях не применяются. Они могут быть частью комбинированной электромеханической трансмиссии, когда электромотор установлен перед главной передачей — см. рис. б (сохранен ведущий мост с главной передачей, дифференциалом, полуосями) либо в двух или во всех колесах установлены электромоторы — см. рис. а (они дополнены редукторами, выполниюшими функции главной передачи). Из-за малых потерь энергии в проводах обычно считают целесообразным применение электрической трансмиссии при любых расстояниях между генератором и электромоторами.

Рис. Мотор-колесо карьерного автомобиля-самосвала большой грузоподъемности:
первая ступень колесного редуктора: 2 — вторая ступень колесного редуктора; 3 — электромотор; 4 — тормозной механизм

В настоящее время электрические трансмиссии с мотор-колесами применяются на карьерных самосвалах большой грузоподъемности (самосвалы БелАЗ грузоподъемностью 75 т и выше), а также на многозвенных автопоездах высокой проходимости с активными прицепами. Коэффициент приспособляемости по моменту у электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением составляет 4…5, что позволяет обойтись без коробки передач. Широкое применение электрических передач сдерживается в основном их высокой стоимостью и недостаточно высоким КПД (80…85%), увеличенными габаритами и массой.

Электромобили в качестве источника энергии используют электрические аккумуляторные батареи. От них через систему управления электрический ток подводится к электромоторам по схеме, аналогичной рис. а или б. В настоящее время небольшие электромобили с обычными автомобильными аккумуляторами увеличенной емкости нашли применение для перевозки малых партий грузов в пешеходных зонах больших городов, на площадках для игры в гольф и т.п. Недостатки электромобилей в основном заключаются в малом запасе хода (обычно около 150 км), после чего требуется длительная подзарядка батарей, и в трудностях с обеспечением высоких скоростных свойств.

Рис. Силовой агрегат автомобиля «Приус» фирмы «Тойота» (а) и его схема (б):
1 — двигатель; 2 — генератор; 3 — электромотор; 4 — главная передача с межколесным дифференциалом; 5 — дифференциал-распределитель; 6 — аккумуляторная батарея

Гибридный электропривод для легковых автомобилей разработан рядом зарубежных фирм и находит все большее распространение. На рис. а показан силовой агрегат автомобиля «Приус» фирмы «Тойота», а на рисунке, б — его схема. Агрегат состоит из бензинового двигателя 1, генератора 2, электромотора дифференциала-распределителя 5, главной передачи 4 с межколесным дифференциалом, а также из силовой аккумуляторной батареи 6 (не показана на рис. а). Сцепления и коробки передач нет. У дифференциала-распределителя солнечная шестерня соединена с валом генератора, коронная — с валом электромотора, на котором установлена ведущая шестерня главной передачи, водило — с валом двигателя.

На стоянке валы двигателя, генератора и электромотора неподвижны.

При трогании с места водитель нажимает на педаль подачи топлива, включая тем самым генератор, который, действуя как стартер, запускает двигатель. В это время дифференциал-распределитель работает как редуктор, поскольку коронная шестерня неподвижна. Затем генератор начинает не потреблять, а вырабатывать электроэнергию, которая поступает на электромотор, чей высокий крутящий момент и обеспечивает трогание автомобиля. Однако в случаях, когда для трогания с места и движения требуется небольшая мощность и двигателю пришлось бы работать в зоне больших удельных расходов топлива, система управления переводит электромотор на питание от аккумуляторной батареи.

На режиме разгона автомобиля скорость вращения всех трех валов дифференциала-распределителя возрастает. Двигатель работает в зоне малых удельных расходов топлива. Электромотор получает энергию от генератора, который одновременно подзаряжает аккумуляторную батарею, а при интенсивном разгоне — еще и от аккумуляторной батареи.

На режиме равномерного движения двигатель работает в экономичной зоне. Часть его мощности идет к ведущим колесам, часть — на подзарядку аккумуляторной батареи через электромотор, работающий в режиме генератора. Этот же режим электромотора используется при торможении (энергия торможения идет на подзарядку аккумуляторной батареи), а при интенсивном торможении автоматически, с помощью электронного блока управления, включается рабочая тормозная система.

При остановке автомобиля двигатель автоматически перестает работать.

Таким образом, «Приус», в отличие от электромобилей, передвигаясь по городу на энергии аккумуляторной батареи, не нуждается во внешних подзарядиых устройствах. Имея такую же полную массу (около 1500 кг), как и у модели «Королла», и мощность двигателя на 30% меньшую, «Приус» имеет такую же максимальную скорость (160 км/ч), вдвое меньший расход топлива в городском цикле (3,5 л/100 км) и суммарные вредные выбросы, уменьшенные более чем в 10 раз.

Как работает коробка переключения передач в электромобиле

Трансмиссия в электромобиле — особая тема. До сих пор электродвигатели автоматические КПП, которые не требовали переключения передач. Но для повышения эффективности производители разрабатывают новые решения. Они должны быть лучше приспособлены к высокой производительности двигателей. Электронные системы управления играют важную роль в распределении мощности и реагировании на изменяющиеся условия.

Электрические транспортные средства дают нам довольно новый опыт вождения. Отчасти потому, что они тихие. С другой стороны, электроприводы достаточно мощные, в зависимости от модели. Они обеспечивают максимальный крутящий момент в любой ситуации при движении. Кроме того, они снимают работу с плеч водителя: ему не нужно переключать передачи, потому что передаточное число постоянно меняется. Поэтому дрожание или задержки во время переключения передач также уходят в прошлое. Бесперебойная мощность крутящего момента также делает электромобили высокоэффективными.

Меньше механики — меньше износа

По сравнению с двигателем внутреннего сгорания, механика электродвигателя менее сложна. Одной из причин этого является то, что она не требует классической механической коробки передач и, следовательно, не требует переключения передаточных чисел. Следовательно, затраты на амортизацию также снижены.

Еще одним преимуществом автомобилей с электроприводом является возможность индивидуальной установки двигателей благодаря их компактной конструкции. Это также возможно во многих гибридных моделях: в дополнение к переднему мотору и приводу, они также имеют один или несколько электродвигателей на заднем мосту для привода задних колес. То же самое относится и к чисто электрическим автомобилям, в которых энергия распределяется индивидуально на колеса через различные электрические узлы.

Отдельно управляемый полный привод

Без центральной передачи двигатели в электромобилях могут использоваться более гибко и адаптироваться к динамическим требованиям. Нередко электромоторы устанавливаются на обе оси или даже на все четыре колеса. Например, Tesla Model S в стандартной комплектации имеет полный привод. В отличие от двигателей внутреннего сгорания, энергия не передается от двигателя к осям через трансмиссию при помощи сложной механики. Вместо этого, Tesla имеет электрический двигатель на каждой оси, с контролем крутящего момента отдельно.

Аналогичная ситуация складывается и с новым Audi e-tron, внедорожником класса люкс с электроприводом: здесь кватропривод работает с одним электромотором на переднюю и заднюю ось. Трансмиссия e-tron от Schaeffler была разработана специально для электромобилей и установлена как в параллельном, так и в коаксиальном исполнении. В то время как коаксиальный вариант приводит в движение задние колеса, осевой параллельный вариант отвечает за полный привод.

Еще одним преимуществом электромобилей является то, что передача энергии может реагировать быстрее — благодаря чисто электронной обработке и передаче на соответствующие двигатели которые находятся на переднем и заднем мостах.

В Audi требуется всего 30 миллисекунд, чтобы двигатель реагировал на изменение ситуации и, например, чтобы обеспечить незаметное вмешательство тормоза при недостаточной поворачиваемости или дополнительную мощность для колес. Добавление второй ведущей оси также занимает всего миллисекунды. Audi использует для этого множество электронных датчиков и блоков управления, которые работают гораздо более детально, чем обычные приводы.

Новые передачи специально для электромобилей

В то время как Audi e-tron, как и модели Tesla, оснащен одноступенчатой коробкой передач, поставщики и специалисты по трансмиссиям уже работают над специальными разработками для электромобилей.

Jaguar I-Pace, внедорожник с электрическим приводом, имеет раздаточную коробку, которая электронно управляет крутящим моментом и распределяет на каждое колесо столько мощности, сколько необходимо в соответствии с условиями вождения. Этот тип управления намного эффективнее, чем механический дифференциал.

Как и немецкий специалист по трансмиссиям Schaeffler, производитель Kreisel Electric из Австрии разработал двухскоростную трансмиссию специально для электромобилей. Одним из важнейших требований при разработке является высокая производительность при малом весе. Компания известна инновационными решениями в области электромобилей и, в частности, электрифицировала модель Mercedes-Benz G для Арнольда Шварценеггера.

Новая разработка будет использоваться в спортивных электромобилях. Kreisel хочет построить электрический спортивный суперкар на базе исторического спортивного автомобиля. Новая автоматическая трансмиссия предназначена для высокопроизводительных диапазонов и должна работать совместно с аналогичной новой, особенно легкой, батареей. Она должна иметь возможность переключать передачи в течение четверти секунды. Для этого он будет оснащен электрическим масляным насосом со встроенным масляным резервуаром.

Встроенный дифференциал ограниченного проскальзывания передает энергию без перебоев даже на скользких дорогах. Модульный интерфейс позволяет использовать широкий спектр компоновок двигателя и трансмиссии. Мощность до 600 кВт и крутящий момент 900 Нм должны быть обработаны без повреждений. Текущий прототип, копия исторического гоночного автомобиля Porsche, весит 1100 килограммов и имеет 490-сильный электрический мотор.

Варианты применения новой трансмиссии

Новые трансмиссии отличаются большей гибкостью и изменчивостью. Они используют большое количество датчиков, которые передают все рабочие данные в режиме реального времени в центральный блок управления. Двигатели могут быть индивидуально сконфигурированы и использованы. Одна или обе оси имеют привод; на каждую ось может работать один или два двигателя. Это обеспечивает гибкие решения, особенно когда требуется большой крутящий момент. Новая трансмиссия от Kreisel, например, будет работать не только на специальных проектах, таких как суперспортивный автомобиль, но и на коммерческих автомобилях, таких как фургоны массой до 3,5 тонн или грузовики и автобусы массой до 15 тонн.

Поставщик автомобилей GKN Driveline также разработал двухскоростную коробку передач специально для электромобилей, которая может работать с более широким диапазоном мощности. Первоначально установленный в электрическую версию Jeep Renegade, он предназначен для обеспечения не только лучшего ускорения и более высоких скоростей, но и более длинных дистанций. Джип ездит благодаря электродвигателю мощностью 120 кВт. Как и в коробке передач с двойным сцеплением, шестерни изменяют фрикционное соединение. Дополнительными преимуществами этой трансмиссии являются более низкие потери энергии благодаря коаксиальной конструкции и так называемой векторизации крутящего момента. Это распределяет крутящий момент на отдельные колеса, что позволяет лучше и точнее работать на кривых участках и предотвращает типичную недостаточную поворачиваемость.

Новые разработки в области трансмиссии делают электромобили более эффективными. Повышение мощности двигателей может быть реализовано лучше. Одно из изменений, к которому традиционалистам уже сегодня приходится привыкать, касается старой доброй механической трансмиссии классических автомобилей. Вряд ли она вернется и в электромобилях будущих поколений.

Источник https://car.ru/news/tehnologii/81297-mashinyi-buduschego-ili-zachem-nuzhen-eielektromotor-v-korobke-peredach/

Источник https://ustroistvo-avtomobilya.ru/transmissiya/elektricheskie-peredachi/

Источник https://electromobil.space/elektronovosti/kak-rabotaet-korobka-perekljucheniya-peredach-v-elektromobile/