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.

Есть ли коробка передач в электромобиле?

Когда вы впервые садитесь в электромобиль, вы можете не увидеть рычага переключения передач. Нажмите на акселератор (не на «педаль газа»), и вы не почувствуете, что трансмиссия переключает передачи. Есть ли у электромобилей коробка передач?

Ответ зависит от того, кого вы спрашиваете. Просматривая авторитетные автомобильные веб-сайты, вы найдете разные ответы, от «без коробки передач» до «своего рода трансмиссии» и «односкоростной трансмиссии». Здесь мы выясним факты и разберемся, что движет вашим электромобилем. (1, 2, 3)

Что делает коробка передач?

Коробка передач – это комплекс механизмов, передающий мощность, поэтому в самом строгом, машиностроительном смысле каждый автомобиль имеет коробку передач.

Трансмиссия, или коробка передач транспортного средства передает мощность вращения источника энергии, будь то электродвигатель или двигатель внутреннего сгорания (ДВС), через набор шестерен на дифференциал, блок, который вращает колеса. Но в просторечии многие люди думают о трансмиссии как о части двигателя, которая переключает передачи с низкой скорости на высокую или с переднего на задний ход, как в «механической коробке передач» и «автоматической коробке передач».

Обычная коробка передач

В автомобиле, работающем на бензине, двигатель внутреннего сгорания должен вращаться с разными скоростями, чтобы не глохнуть (потому что он вращается слишком медленно) и не перегреваться (потому что он вращается слишком быстро). Этот диапазон составляет примерно от 500 до 7000 оборотов в минуту (об/мин). Чтобы компенсировать это ограничение, трансмиссия регулирует соотношение между вращением двигателя и вращением колес, переключаясь между низшей и высшей передачами.

Автоматическая коробка передач в автомобиле, работающем на бензине.
Флорин Патрунджел / Getty Images

Самая низкая передача вращается медленнее, чем двигатель, что позволяет двигателю работать на достаточно высоких оборотах, чтобы не заглохнуть. Самая низкая передача вращается медленно – задействуется самая большая шестерня по размеру, которая передает большую силу, но меньшую скорость на колеса, поскольку шестерня должна двигать транспортное средство вперед от полной остановки.

Наивысшая передача, напротив, является самой маленькой и работает с «перегрузкой» – это означает, что она вращается быстрее, чем двигатель, что позволяет автомобилю двигаться с высокой скоростью без перегрева двигателя. В автомобиле с механической коробкой передач включение сцепления выключает одну передачу, так что вы можете переключиться на другую. Автоматическая коробка передач делает то же самое, но без вмешательства водителя.

Что такое лошадиные силы?

Мощность двигателя определяется скоростью и крутящим моментом. Скорость определяется как скорость, с которой двигатель вращается, а крутящий момент – это величина силы вращения, которую двигатель создает. Когда двигатель с постоянной подачей мощности вращается быстро, он теряет крутящий момент. Когда он вращается медленнее, крутящий момент увеличивается.

Как работает электромотор?

Среди отличительных особенностей электромобилей – тихий, мгновенный и плавный разгон. Это связано с тем, что двигательная установка в электромобиле работает иначе. Как следует из их названий, основное различие между электромобилями и автомобилями с бензиновым двигателем – это источник топлива. Когда вы нажимаете на акселератор электромобиля, электричество передается от аккумулятора к электродвигателю, заставляя его быстро вращаться.

Коробка передач электромобиля.
kool99 / Getty Images

Большинство электромобилей имеют один двигатель переменного тока, подключенный к коробке передач. То, что находится в коробке передач, некоторые люди называют трансмиссией, поскольку это действительно набор шестерен, передающих вращение двигателя вращению колес. Но более точным для него названием будет односкоростной редуктор, поскольку несколько шестерен в коробке передач всегда связаны друг с другом и, таким образом, все вращаются одновременно.

Редуктор снижает число оборотов двигателя до более приемлемых оборотов колес в соотношении примерно 10:1. Таким образом, нет ни сцепления, ни отключения передач, ни переключения между передачами разного размера в зависимости от потребностей автомобиля – другими словами, нет трансмиссии.

Есть ли задний ход?

Поскольку двигатель в электромобиле обычно использует переменный ток, нет необходимости в передаче заднего хода. Двигатель просто вращается в противоположном направлении.

Двигатель переменного тока может вращаться от нуля до 10 000 об/мин и более. (Двигатель в Tesla Model S Plaid 2021 года может вращаться со скоростью до 23 308 об/мин, что является одной из причин, по которой он может разгоняться до 320 км/час.) Это дает электромобилям большой крутящий момент в широком диапазоне скоростей с «золотой серединой» между достаточным крутящим моментом и достаточной скоростью в диапазоне 50–65 км/час. Энергия передается напрямую и почти мгновенно от двигателя к колесам, а не через коробку передач, и при переходе с одной скорости на другую не нужно переключаться с одной передачи на другую, что обеспечивает плавное и тихое ускорение. (4)

Отсутствие коробки передач снижает трение (и, следовательно, износ), которое возникает при включении и выключении нескольких передач. Плавный переход также лучше поддерживает движение транспортного средства вперед, чем переключение передач, что является одной из причин, почему электромобили намного эффективнее расходуют энергию.

В целом электромобиль в среднем преобразует 77% электроэнергии, хранящейся в его аккумуляторе, для движения вперед, в то время как автомобиль с бензиновым двигателем преобразует от 12% до 30% энергии, хранящейся в бензине в его баке. Большая часть остального расходуется в виде тепла. Эффективность передачи мощности от двигателя электромобиля к колесам составляет от 89% до 98%, в зависимости от транспортного средства, тогда как в автомобиле с ДВС тот же процесс от двигателя к колесам имеет эффективность только от 14% до 26%. (5)

Могут ли электромобили иметь несколько передач?

Любому транспортному средству, ДВС или электромобилю, требуется больше крутящего момента, чем скорость, чтобы привести автомобиль в движение от полной остановки, и больше скорости, чем крутящего момента, когда транспортное средство уже набирает скорость. Так разве электромобили не выиграют от использования нескольких передач? Да, но за счет более сложной системы, требующей большего количества деталей, большего веса и большего количества рабочей силы – другими словами, больших затрат потребителя как на начальном этапе, так и на техническое обслуживание.

Некоторые новые электромобили, в том числе Audi e-tron GT и Porsche Taycan, имеют несколько передач, что позволяет им передавать больший крутящий момент на колеса для увеличения ускорения. Планируемый Jeep Magneto будет даже иметь многоступенчатую механическую коробку передач. Такие гоночные автомобили, как те, что используются в полностью электрической Формуле Е, также имеют трансмиссию. (6, 7, 8, 9)

Когда на рынке появятся электрические грузовики, особенно 18-колесные, возможно, они будут иметь несколько передач и трансмиссию, но, учитывая широкий диапазон оборотов, возможный с электродвигателем, их может быть всего две: одна для крутящего момента, другая для крейсерской скорости, с переходом от одного к другому со скоростью около 50 км/час. (Грядущий Tesla Semi будет иметь только односкоростной редуктор.) То же самое относится и к меньшим транспортным средствам, где важна способность буксировать или перевозить тяжелые грузы. (10, 11)

Бесступенчатая трансмиссия

Некоторые автомобили с ДВС и гибридные автомобили имеют бесступенчатую трансмиссию (CVT), форму автоматической трансмиссии, которая плавно ускоряется от скорости к скорости, используя шкивы, а не шестерни. Для электромобилей недавно были внедрены системы вариатора, которые могут увеличивать крутящий момент на более низких скоростях, чтобы приспособиться к более тяжелым транспортным средствам и нагрузкам. Это избавляет инженеров от необходимости искать компромисс между крутящим моментом и скоростью. (12, 13)

Обещая более высокую эффективность, системы CVT могут позволить электромобилям увеличить свой запас хода, что является ключевой проблемой для потенциальных покупателей электромобилей. (14)

Несколько двигателей вместо нескольких шестерен

Tesla Model S полностью электрический седан с двумя двигателями.
Sjoerd van der Wal / Getty Images

Некоторые электромобили решают эту проблему, имея несколько двигателей с разными передаточными числами для обеспечения большего или меньшего крутящего момента, в зависимости от потребностей транспортного средства, при этом электроника более эффективно переключает электроны на разные двигатели в отличии от коробки передач, которая менее эффективно переключает передачи. Например, высокопроизводительный Lucid Air выпускается в двух- или трехмоторной версии, как и многие автомобили Tesla. (15)

И в отличие от шестерен в автомобиле с ДВС, несколько двигателей в электромобиле могут использоваться одновременно, обеспечивая автомобилю скорость и крутящий момент, повышенное тяговое усилие или большую маневренность. У электрических пикапов Rivian даже есть независимые двигатели, прикрепленные к каждому колесу, что позволяет грузовику совершать «повороты на месте».

Пристегнитесь

Будущее электромобилей не ограничено, и в нем постоянно появляются новые способы обеспечения тяги. Илон Маск даже обещает, что следующая итерация Tesla Roadster будет иметь «систему подруливающего устройства на холодном газе SpaceX». Пристегните ремни безопасности и следите за обновлениями. (16)

Работает экологическим и научным журналистом более 15 лет. Пишет о науке, культуре, космосе и устойчивом развитии. Внештатный автор сайта «Знание – свет».

5 главных преимуществ электрических автомобилей

Почему электромоторы круче двигателей внутреннего сгорания?

Электромобили постепенно входят в повседневную автомобильную жизнь, хотим мы этого или нет. Поэтому не будем расстраиваться или наоборот эмоционально сильно превозносить возможности этого типа привода для машин, а отметим 5 реальных положительных фактов присущих электрокарам, которые действительно превосходят стандартные двигатели ДВС в машинах классической компоновки.

Преимущества электромоторов в этот пасмурный осенний день (в Москве сейчас именно такая погода) поясняет Джейсон Фенске с YouTube канала Engineering Explained в своем новом видео. Пробежимся по главным аспектам преимуществ производительности электрического автомобиля по сравнению с обычным.

Первые два плюса в копилку электромоторов.

Он заключается в том, что электромоторы производят пиковый крутящий момент с нулевых оборотов. Стоите вы такие на светофоре, загорелся зеленый сигнал, нажимаете педаль акселератора и у вас почти мгновенно начинают работать все заявленные производителем ньютон-метры. Никаких задержек или провалов. Поэтому у современных автомобилей типа Tesla такие звездные показатели ускорения.

Происходит это в том числе из-за того, что как правило, высокий крутящий момент распространяется на большой диапазон оборотов, низкой инерции электромотов и высоких максимальных оборотов электродвигателя.

В связи с последним, как правило, электромоторы агрегатируются с односкоростными коробками передач, много скоростей им ни к чему. Подробнее об этом написано здесь.

Второй положительный момент проистекающий из вышеназванных преференций- меньший вес трансмиссий в частности и автомобиля в целом, больше надежности, никаких провалов во время разгона и потерь во времени при интенсивном ускорении.

Третий плюс машин с электрической трансмиссией

Третий пункт касается реакции на открытие дроссельной заслонки. В частности, Джейсон говорит о физических ограничениях дроссельной заслонки с центральным шарниром, и тот факт, что поворот дроссельной заслонки от 5 до 15 процентов дает увеличение площади открытия в три раза, в то время как поворот пластины с 95 процентов до 100 процентов дает изменение площади открытия всего примерно на 1 процент.

В электромобилях же калибровка дросселя с предполагаемой выходной мощностью просто вопрос программного обеспечения:

В электромобиле вы можете получить именно то, о чем просите, нажав на педаль акселератора, потому что вы можете выбрать то количество мощности, сколько хотите в любом конкретном положении, по сравнению с автомобилями с двигателями внутреннего сгорания, которые являются более чувствительными, когда вы находитесь в начальной части хода педали.

Четвертое преимущество

Следующий неотъемлемый плюс касается возможности использования электродвигателя для замедления автомобиля. Благодаря тому, что колеса при движении автомобиля накатом могут проворачивать мотор (и использовать его инерцию в качестве сопротивления), движение автомобиля вперед позволяет на время сделать из мотора генератор, который будет заряжать энергией аккумуляторные батареи и одновременно замедлять автомобиль, вместо того чтобы тратить полезную энергию на нагрев тормозов, уменьшая тем самым нагрузку на тормозную систему.

Нагрузка на тормоза меньше, износ меньше, что подразумевает возможность уменьшение диаметра тормозных дисков и уменьшение размеров суппортов. Мощные тормоза на таких автомобилях не нужны.

Пятый плюс электромобилей

Преимущества в компоновке аккумуляторных батарей. Аккумуляторы можно ставить куда угодно в автомобиле. Обычно их укладывают в пол машины, тем самым смещая центр тяжести вниз, но по сути аккумуляторы можно распределить по автомобилю в различные места, от капота, до багажника, еще тоньше настроив развесовку автомобиля.

Да, батареи тяжелые, но они могут быть упакованы таким образом, чтоб помочь максимально увеличить внутренний объем и минимизировать эффект этой массы, что даст лучшую управляемость.

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

Источник https://znanie-svet.ru/yest-li-korobka-peredach-v-elektromobile/

Источник https://1gai.ru/publ/519448-5-glavnyh-preimuschestv-elektricheskih-avtomobiley.html