Почему в электромобилях исчезает коробка передач

Причина исчезновения коробки передач в электромобилях заключается в том, что характеристическая кривая электродвигателя работает совершенно противоположно двигателю внутреннего сгорания: мотор выдаёт полный крутящий момент с места, то есть с 0 оборотов, и вращается в очень широком диапазоне оборотов без потери эффективности. Эти два свойства делают ненужной многоступенчатую коробку передач, спроектированную для ступенчатой передачи крутящего момента; поэтому большинство электромобилей подключаются к колёсам через одноступенчатый редуктор.

В чём на самом деле заключается функция коробки передач и почему с электромобилем она становится ненужной?

Чтобы понять коробку передач, сначала нужно посмотреть, что она делает. Двигатель внутреннего сгорания не обладает силой, достаточной для непосредственного вращения колёс; он отдаёт создаваемый крутящий момент в определённом диапазоне оборотов и с ограниченной мощностью. Коробка передач, передавая эту силу на колёса через различные передаточные числа, удерживает двигатель в пригодном для работы диапазоне на каждой скорости. В классической 5-ступенчатой коробке передаточные числа примерно следующие: 1-я передача 3.35:1, 2-я передача 1.93:1, 3-я передача 1.29:1, 4-я передача прямая 1.00:1 , а 5-я передача как овердрайв 0.68:1. Каждая ступень - это инструмент, спроектированный для многократного увеличения крутящего момента при трогании и его растяжения на высокой скорости.

Электродвигателю ни один из этих инструментов не нужен. Потому что он создаёт вращающую силу - то есть крутящий момент - в полном значении с самого первого оборота. В электромобиле мотор не работает на холостом ходу; когда автомобиль стоит, мотор не вращается, а в момент касания педали газа к колёсам доходит одинаковый крутящий момент и при 1 обороте, и при 1 000 оборотах. Здесь нет машины, которой нужны короткое передаточное число для разгона и длинное для трассы; мотор выполняет свою работу на обоих концах.

Характеристическая кривая двигателя: инженерное обоснование одной передачи

За этим поведением стоит одна и та же кривая, присущая каждому электродвигателю. На низких и средних оборотах мотор работает в зоне постоянного крутящего момента: даже при росте оборотов создаваемая вращающая сила не меняется. При превышении порога, который называется базовой скоростью, крутящий момент начинает падать, но при этом мотор переходит в зону постоянной мощности; в промышленности этот диапазон также называют зоной ослабления поля (field weakening). То есть кривая имеет профиль, при котором производительность словно без ступенек лестницы распределяется по широкому диапазону.

Сравните с кривой двигателя внутреннего сгорания: при обычной езде он поднимается примерно с 1 200 об/мин до 4 000–4 500 об/мин, красная зона находится около 5 000–6 000 об/мин , и этот подъём он не может поддерживать долго. Диапазон, в котором крутящий момент доступен, узок; поэтому для каждой скорости езды нужна соответствующая передача. Электродвигатель же достигает 10 000 об/мин за считанные секунды и 20 000 об/мин до таких оборотов. Более того, в этом широком диапазоне КПД существенно не меняется: у большинства двигателей 85–95% диапазон КПД с разницей всего в несколько процентных пунктов охватывает широкий интервал оборотов.

Достаточность одной передачи в цифрах

Достаточность одноступенчатого редуктора наглядно показывает один расчёт. Обороты двигателя связаны с передаточным числом, скоростью и диаметром шин; если применить эту формулу Hyundai Ioniq 5 для такого автомобиля, как 4,706 с итоговым передаточным числом, шинами около 20 дюймов и 186 mph теоретической максимальной скоростью, получится, что двигатель вращается на 14 000+ об/мин . С той же единственной передачей двигатель внутреннего сгорания с красной зоной на 6000 об/мин смог бы развить лишь 76 mph (около 122 км/ч) - то есть значительно ниже скоростей автомагистрали. Способность электродвигателя работать на высоких оборотах устраняет необходимость в диапазоне скоростей, который одна передача обеспечить не может.

Следует уточнить один момент: электромобили не совсем лишены зубчатых передач. Между оборотами двигателя и колёс существует естественная разница, и в каждом EV её компенсирует одноступенчатый редуктор (gear reduction). Теряется лишь многоступенчатая коробка и вместе с ней само действие переключения передач.

Простота, обслуживание и эффективность: цена убранных деталей

Исключение многоступенчатой коробки из конструкции - это не просто эстетическая простота, а измеримый инженерный выигрыш. Традиционная автоматическая коробка передач содержит 7 основных компонентов и около 800 деталей ; в случае неисправности её замена с учётом работы может стоить 1800–3400 $ . Напротив, во всей трансмиссии Tesla Model S в общей сложности 20 подвижных деталей , а Chevrolet Bolt подчёркивает, что на 80% меньше подвижных деталей по сравнению с аналогичным автомобилем с ДВС.

Меньше подвижных деталей означает три вещи: снижение потерь энергии на трение, исчезновение таких пунктов обслуживания, как замена трансмиссионного масла, и снижение риска механических неисправностей. Поскольку сам двигатель уже эффективно работает в широком диапазоне, дополнительная ступень передачи обычно даёт не выигрыш, а потерю - каждая добавленная пара шестерён вносит в цепочку собственные потери на трение. Для водителя же результат совершенно очевиден: непрерывное, плавное ускорение без переключения передач. Стоит лишь коснуться педали газа - двигатель сразу откликается, и с ростом скорости колёса ускоряются напрямую, без каких-либо переходов между ступенями.

Исключения: почему существуют многоступенчатые электромобили?

Достаточность одной передачи - не физическая необходимость, а оптимальный выбор для серийных автомобилей с мощными двигателями. Самое известное исключение - Porsche Taycan: на задней оси он использует коробку с 2 передачами . По словам производителя, короткая 1-я передача обеспечивает большее ускорение при трогании с места, а длинная 2-я передача сохраняет высокий КПД и запас мощности даже на очень высоких скоростях. Коробка построена на пакете мокрого сцепления (wet clutch pack) с автоматическим переключением.

Логика - это суженная версия аргументации мира двигателей внутреннего сгорания. В высокопроизводительных автомобилях, таких как Taycan, максимальная скорость и экономичность на трассе вынуждают единственную передачу работать на пределе своей рабочей точки; двухступенчатая коробка приближает двигатель к оптимальной точке как при старте, так и на высокой скорости. Анализы показывают, что этот блок может обеспечивать на трассе примерно %5 повышения эффективности и поднимать максимальную скорость автомобиля; среди оценок также присутствует мнение, что двухступенчатая коробка делает Taycan быстрее однокоробочных конкурентов. Полное отделение передней оси автомобиля с возможностью её независимой работы также является частью динамичного дизайна этой трансмиссии.

Многоступенчатые решения в коммерческом транспорте

Второй набор исключений связан не с производительностью, а с профилем использования. Некоторым коммерческим автомобилям требуется одновременно стартовый крутящий момент под тяжёлой нагрузкой и экономичность на дальних дистанциях; в небольших и эффективно спроектированных двигателях дополнительная ступень может быть полезной. Однако общая картина ясна: показательный пример Taycan, появившийся в 2019–2020 годах, даже к 2024 году не получил широкого распространения. Большинство электромобилей по-прежнему имеют одну передачу, и, судя по всему, это не техническая необходимость, а рациональный выбор.

Действительно ли стоит добавлять несколько передач? Баланс выигрышей и потерь

С точки зрения дизайна плюсы и минусы многоступенчатого решения тесно связаны между собой:

• Сторона выигрышей: Повышение эффективности за счёт приближения двигателя к оптимальной рабочей точке на высоких скоростях; улучшенное ускорение и более высокая максимальная скорость; потенциально меньший выбор батареи и двигателя; гибкость при тяжёлых условиях эксплуатации.
• Сторона потерь: Дополнительный вес и стоимость производства; собственные внутренние потери КПД зубчатых передач коробки; ограниченность выгоды по сравнению с уплаченной ценой.

Для больших и мощных двигателей в серийных EV сторона выигрышей обычно спорна: многоступенчатая коробка может не дать большого скачка эффективности по сравнению с одноступенчатой, более того, внутренние потери коробки могут даже отрицательно повлиять на баланс. В качестве встречного утверждения один поставщик предложил многоступенчатую систему, снижающую энергопотребление до 15%, по сравнению с одноступенчатыми трансмиссиями; однако реалистичная выгода таких заявлений тесно связана с характеристиками двигателя и профилем использования автомобиля. Итоговый баланс таков: дополнительная ступень, снижающая обороты двигателя на скоростях трассы, может уменьшить расход, но общепринятое мнение состоит в том, что выгода на большинстве автомобилей слишком ограничена, чтобы оправдать усложнение конструкции.

Часто задаваемые вопросы

Есть ли коробка передач у электромобилей?

Есть, но не в классическом смысле. Большинство электромобилей используют одноступенчатый редуктор или прямой привод; переключения передач как такового не происходит. Рычаг на рулевой колонке или на консоли - это селектор, выбирающий положения P, R, N, D, а не управление многоступенчатой коробкой.

Являются ли электромобили автоматическими?

Да. Здесь нет сцепления и многоступенчатой коробки; используется мотор с одной передачей и мгновенным крутящим моментом. Для водителя это означает полностью автоматический и бесперебойный опыт вождения.

Увеличивает ли добавление передач запас хода?

На скоростях по автостраде снижение оборотов двигателя может уменьшить потребление энергии, однако общее мнение таково, что выигрыш остаётся ограниченным. Поскольку двигатель уже работает с КПД 85–95% в широком диапазоне оборотов, внутренние потери и затраты, возникающие из-за дополнительной ступени, в большинстве автомобилей не могут положительно повлиять на расчёт запаса хода.

Итог: редуктор, пришедший на смену исчезнувшей коробке

Коробка передач была решением проблемы двигателя, который не мог распределять крутящий момент в широком диапазоне скоростей. Электромотор с зонами постоянного момента и постоянной мощности решает эту проблему сам по себе, поэтому решение убрали из автомобиля, а на его место поставили один редуктор с постоянным передаточным отношением. Такие автомобили, как Taycan, показывают, что добавление ступеней всё ещё возможно и имеет смысл при максимальной производительности или особых профилях использования - но это исключение. В трансмиссии, где правила переписываются заново, лучшая коробка передач чаще всего - никакая коробка передач.

Источники

• Что означает, что электромобили являются односкоростными
• Силовая установка: чистая производительность
• Почему двухступенчатая коробка передач электромобиля Porsche Taycan - это ...
• Электромобиль Porsche Taycan: двухступенчатая коробка передач может стать первой из многих ...
• Двухступенчатая коробка передач Porsche Taycan Turbo S: объяснение
• Электромобиль против ДВС: технология трансмиссии объяснена
• Кривые крутящего момента и мощности электродвигателя
• Техническое руководство № 7: Расчёт приводной системы
• Каковы характеристики производительности Porsche Taycan 2020 года
• Односкоростные и многоскоростные коробки передач в электромобилях
• Есть ли в электромобилях коробки передач?
• Все ли электромобили автоматические?