В любом разговоре о плюсах электромобилей всплывает фраза типа «Электромотор выдает максимальный крутящий момент с нуля оборотов». Мол, поэтому им не нужны трансмиссии с изменяемым передаточным числом. Но реальность сложнее – и компания Inmotive идет непроторенным путем. В новой презентации канадцы доказывают, что электромобилям нужны многоступенчатые коробки.
Разработка сама по себе интересная, и она вдобавок служит поводом оценить перспективы подобных агрегатов в целом. Разбираемся в вопросе.
Зачем электродвигателю коробка передач
Двигателю внутреннего сгорания коробка передач необходима, поскольку он конструктивно не способен развивать одинаковое усилие во всем диапазоне оборотов коленвала. Крутящий момент достигает рабочих значений в довольно узком «окне» на циферблате тахометра, а максимума – к его середине, а затем начинает падать.
С электромоторами похоже, только диапазон рабочих оборотов значительно больше. Но «от нуля» они все равно не смогут развивать какое-либо существенное усилие. Контролирующая электроника не подаст на двигатель максимальный ток, пока тот не начнет хоть немного вращаться. Потому что если агрегат не выполняет работу, то вся поступающая на него энергия рассеивается в виде тепла. Нижний предел оборотов для развития номинального крутящего момента у всех электродвигателей разный и зависит от конструкции. Но он есть.
Устройство электромобиля: батарея и электромотор
С верхним сложнее. С одной стороны, есть ограничения по прочности, которые лимитируют максимальные обороты ротора. С другой, все те же температурные: даже выполняя работу, за счет потерь агрегат все равно нагревается, и в какой-то момент система охлаждения может перестать справляться.
Принципиально у электродвигателей, так же, как и у ДВС, есть определенный диапазон рабочих оборотов, в котором они максимально эффективны. Разница между электрическими моторами и ДВС в том, что последние вне оптимального диапазона оборотов теряют эффективность на десятки процентов (вплоть до полной потери способности выполнять полезную работу). А электродвигатели показывают падение на сотые доли.
Для практического применения это приемлемо, и можно обойтись одним передаточным числом в трансмиссии.
Все равно на максимальной или минимальной скорости машина ездит лишь малую часть пробега. С другой стороны, даже уменьшение потерь на 5-7% может быть очень заметным для батарейного электромобиля — пробег на одном заряде увеличивается на ощутимые десятки километров.
Иными словами, трансмиссия с переменным передаточным числом, даже всего лишь двухступенчатая коробка передач, способна заметно изменить потребительские качества электротранспорта. Теоретически. Почему почти никто не применяет их в реальности?
Коробка Ingear от Inmotive для электрокаров
Ingear — так называется коробка передач, созданная Inmotive. Это не просто концепт или пара прототипов, а полноценное предсерийное изделие. Компания уже успела обкатать свое решение на подопытной машине (Kia Soul EV) и даже собрать несколько отзывов у авторитетов в электромобильной отрасли.
В настоящий момент Inmotive наводит мосты с различными производителями автозапчастей, есть упорные слухи о подписании контрактов, как минимум, с двумя крупными партнерами. Кроме того, все желающие могут заказать у канадцев агрегат в предсерийном исполнении для собственных тестов.
Это не обычный набор шестеренок, переключающихся актуаторами, и фрикционов для размыкания валов, а любопытная конструкция, способная изменять передаточное число «бесшовно».
- Выходной вал электродвигателя или с первой понижающей шестерни стандартного редуктора подключается к приводной шестерне в Ingear.
- Она, в свою очередь, вращается в постоянном зацеплении с широкой зубчатой цепью, которая поддерживается в постоянном натяжении.
- Вся магия происходит с ведомым узлом. Тот представляет собой куполообразное тело (которое надевается на дифференциал) с двумя звездочками разного диаметра на его внешней стороне. Меньшая — монолитная и установлена прямо вокруг посадочного отверстия для выходного вала. А большая состоит из пяти сегментов, один из которых — ключевой. Сегменты могут перемещаться по параллельным оси звездочки направляющим на ширину цепи.
- За сдвиг сегментов отвечает хитро устроенный палец. При отклонении в одну сторону он прижимает сегменты за специальные выступы к телу узла, и зубчатая цепь приводит в движение большую звезду, то есть передаточное число становится ниже. Когда необходимо его повысить, палец отклоняется в другую сторону и цепь плавно перескакивает на меньшую, внутреннюю звездочку.
- Палец срабатывает всегда только в момент контакта с ключевым сегментом, потому что у того есть специальный выступ, подхватывающий цепь. Он поддерживает ее при переходе на звездочку другого радиуса — именно это позволяет всегда обеспечивать передачу крутящего момента между входным и выходным валами.
Результатом работы такого устройства, по подсчетам самих инженеров, должны стать:
- увеличение пробега на одном заряде аккумулятора на 7-15%;
- возможность оптимизации характеристик батареи, инвертора и мотора, из-за чего себестоимость всей конструкции снизится, масса уменьшится и суммарная эффективность будет выше (даже с учетом добавления Ingear);
- и, что немаловажно, на целых 15% возрастут динамические характеристики.
Вдобавок переключение между передачами происходит практически незаметно. Причем эту особенность уже проверили несколько независимых водителей, приглашенных Inmotive на тест-драйв прототипа. По их словам, если не смотреть на информационную панель, сделанную из обычного ноутбука, подключенного к диагностическому каналу, и не прислушиваться к ощущениям, переход между передачами заметить действительно трудно.
В общем, довольно смелые заявления. Похоже на маркетинговый треп для продвижения сомнительной технологии. Однако, во-первых, Ingear уже заинтересовались некоторые крупные производители запчастей. Да, канадская компания пока не раскрывает все карты, но факт переговоров и пристального изучения разработки подтверждается разными источниками. А во-вторых, аналогичными агрегатами занимаются еще несколько команд инженеров по всему миру, включая знаменитую немецкую фирму ZF.
Да что там говорить, Porsche Taycan и Audi E-Tron GT (одноплатформенные электромобили VAG) оснащены двухступенчатым редуктором. Так может ли подобная технология действительно давать преимущества электромобилям?
Трансмиссия в Porsche Taycan
На практике
Большинство современных электромобилей оснащаются двухступенчатым редуктором после двигателя с передаточным числом около 8-10:1. Говоря простым языком, он передает на колеса в 8-10 раз меньшие обороты, но увеличивает крутящий момент. Соотношение мощности мотора, его максимально эффективных рабочих оборотов и степени их понижения в редукторе подбирается производителем исходя из целевых характеристик машины. Если это компактный городской автомобиль, редукцию делают побольше, чтобы эффективность была максимальной при низких скоростях. Тогда, кстати, и двигатель можно ставить послабее, что приведет к большей экономичности. А для всяких Tesla и других моделей более «дорогого» уровня (или американского рынка) эффективными делают более высокие скорости для движения по хайвеям и автобанам.
Как и со всеми прочими техническими решениями, это всегда компромисс. И оптимальная скорость движения обязательно уточняется производителем. Если ей не следовать большую часть времени эксплуатации, то и заявленного пробега на одном заряде можно не увидеть. Тем не менее, недостатки подхода успешно устраняются в некоторых моделях.
Например, почти все электромобили с полным приводом имеют разное передаточное число в редукторах передней и задней оси. Электроника в зависимости от скорости движения выбирает, какой из моторов будет более эффективен, и отдает ему основную мощность. А «на всю катушку» оба они работают только при резком ускорении, либо под предельной нагрузкой. Иными словами, это та же двухступенчатая коробка передач, только разнесенная между осями.
Де-факто это лишь подтверждает необходимость создания устройств, подобных Ingear, для одномоторных моделей. И некоторые компании поняли это еще несколько лет назад. Inmotive работают с 2017 года, ZF представили свою концепцию в 2019, остальные аналогичные разработки — примерно ровесники.
Прототип от ZF
Но в отличие от ДВС электромотор выдает близкий к максимальному крутящий момент почти во всем диапазоне оборотов. И гораздо большее усилие при меньших габаритах (достаточно сравнить электрические и бензиновые двигатели, производящие 600-700 Нм). То есть, по-хорошему, КП для них будет в несколько раз крупнее самого мотора. Но тогда теряются все преимущества конструкции электромобилей — компактность агрегатов, большое внутреннее пространство и прочее.
В итоге ZF в своей разработке прямо указывают верхний предел мощности — 140 киловатт. Inmotive на своем сайте не пишут об этом, но сомневаться не стоит, для Ingear он тоже есть, и не намного больше. К тому же КП — это всегда усложнение конструкции, а значит снижение ее общей надежности: как раз то, от чего стараются уходить при создании «электричек».
В общем, перед инженерами стоит сложнейшая задача, создать компактный, легкий, простой, надежный и переваривающий большое усилие агрегат.
Интересный и полузабытый факт: на самом первом Tesla Roadster планировалась двухступенчатая коробка передач. Именно с ней получалось при технологиях середины 2000-х достичь столь внушительных заявленных характеристик. Но ее так и не пустили в серию, потому что мотор очень быстро буквально размалывал шестерни. Так что Маск и его команда быстро отказались от идеи КП, переключившись на вариант с разной редукцией на осях.
КП для электромобилей точно получат развитие. Не факт, что станут массовыми, но при определенных условиях такие агрегаты способны заметно повысить эффективность машин. Разработка Inmotive выглядит продуманной, и очень хочется увидеть ее в работе. Про ZF пока ничего не слышно толком, а вот изделия VAG уже давно ездят, и отзывы о них, в целом, положительные.
Комментарий отправлен
Ваш комментарий опубликован.
Провокационные или оскорбительные комментарии запрещены.