ทำไมเกียงธรรมดาจึงค่อยๆ หายไปจากรถยนต์ไฟฟ้า

สาเหตุที่เกียร์หายไปจากรถยนต์ไฟฟ้า ก็เพราะเส้นโค้งลักษณะเฉพาะของมอเตอร์ไฟฟ้าทำงานตรงข้ามกับเครื่องยนต์สันดาปภายในโดยสิ้นเชิง: มอเตอร์ผลิตแรงบิดสูงสุดได้ตั้งแต่สถานะหยุดนิ่ง หรือตั้งแต่ 0 รอบต่อนาที และหมุนได้ในช่วงรอบกว้างมากโดยไม่สูญเสียประสิทธิภาพ คุณสมบัติทั้งสองนี้ทำให้เกียร์หลายสเต็ปที่ออกแบบมาเพื่อแบ่งระดับแรงบิดไม่จำเป็นอีกต่อไป รถยนต์ไฟฟ้าส่วนใหญ่จึงเชื่อมต่อกับล้อผ่านเกียร์ลดอัตราทดรอบเดียว

หน้าที่แท้จริงของเกียร์คืออะไร และทำไมจึงไม่จำเป็นในรถยนต์ไฟฟ้า?

เพื่อทำความเข้าใจเกียร์ จำเป็นต้องดูก่อนว่ามันทำอะไร เครื่องยนต์สันดาปภายในไม่มีแรงเพียงพอที่จะหมุนล้อโดยตรง มันส่งมอบแรงบิดที่ผลิตได้ในช่วงรอบจำเพาะและด้วยกำลังที่จำกัด เกียร์ถ่ายทอดแรงนี้ไปยังล้อผ่านอัตราทดต่างๆ เพื่อรักษาเครื่องยนต์ให้อยู่ในช่วงการทำงานที่ใช้งานได้ในทุกความเร็ว ในกล่องเกียร์ 5 สเต็ปแบบดั้งเดิม อัตราทดมีลักษณะโดยประมาณดังนี้: 1. เกียร์3.35:1 เกียร์ 2. 1.93:1 เกียร์ 3. 1.29:1 เกียร์ 4. เป็นเกียร์ตรง 1.00:1 และเกียร์ 5. ทำหน้าที่เป็นโอเวอร์ไดรฟ์ที่0.68:1 แต่ละสเต็ปได้รับการออกแบบมาเพื่อคูณแรงบิดในตอนออกตัวและยืดออกในความเร็วสูง

มอเตอร์ไฟฟ้าไม่ต้องการสิ่งใดเหล่านี้เลย เพราะมันผลิตแรงหมุน หรือแรงบิด ในค่าเต็มตั้งแต่วินาทีแรกของการหมุน ในรถยนต์ไฟฟ้า มอเตอร์ไม่มีรอบเดินเบา เมื่อรถหยุดนิ่ง มอเตอร์ก็ไม่หมุนเช่นกัน และทันทีที่คุณเหยียบคันเร่ง แรงบิดเท่าเดิมจะส่งถึงล้อไม่ว่าจะที่ 1 รอบหรือ 1,000 รอบ ไม่มีความจำเป็นต้องมีตัวคูณแรงบิดสั้นๆ สำหรับการออกตัว หรืออัตราทดยาวสำหรับทางด่วน มอเตอร์ทำหน้าที่ของมันได้ในทั้งสองช่วง

เส้นโค้งลักษณะเฉพาะของมอเตอร์: เหตุผลทางวิศวกรรมของเกียร์เดียว

เบื้องหลังพฤติกรรมนี้คือเส้นโค้งเดียวกันที่พบในมอเตอร์ไฟฟ้าทุกตัว ที่รอบต่ำและรอบกลาง มอเตอร์ทำงานในโซนแรงบิดคงที่ ไม่ว่ารอบจะเพิ่มขึ้นเท่าใด แรงหมุนที่ผลิตได้ก็ไม่เปลี่ยนแปลง เมื่อผ่านเส้นตายที่เรียกว่าความเร็วฐาน แรงบิดเริ่มลดลง แต่มอเตอร์จะเข้าสู่โซนกำลังคงที่แทน ในอุตสาหกรรมเรียกช่วงนี้ว่าโซน weakening สนาม (field weakening) ด้วย นั่นคือเส้นโค้งนี้มีโปรไฟล์ที่ประสิทธิภาพกระจายไปในช่วงกว้างโดยแทบไม่มีช่วงตกหล่นเลย

เปรียบเทียบกับเส้นโค้งของเครื่องยนต์สันดาปภายใน: ในการขับขี่ปกติ รอบสูงขึ้นจากประมาณ1,200 RPMไปเป็น4,000-4,500 RPM โซนแดงอยู่ราว5,000-6,000 RPM และเครื่องยนต์ไม่สามารถรักษารอบระดับนี้ได้นาน ช่วงที่แรงบิดใช้งานได้จึงแคบ นี่คือเหตุผลที่ต้องมีเกียร์แต่ละสเต็ปที่เหมาะสมกับความเร็วในการขับขี่แต่ละระดับ ส่วนมอเตอร์ไฟฟ้าสามารถที่จะถึง 10,000 รอบ/นาที ภายในไม่กี่วินาที และหมุนได้สูงถึงระดับ 20,000 รอบ/นาที ยิ่งไปกว่านั้น ประสิทธิภาพในช่วงกว้างเช่นนี้ก็แทบไม่ลดลงเลย: มอเตอร์ส่วนใหญ่มีแถบประสิทธิภาพ 85-95% ซึ่งกระจายครอบคลุมช่วงรอบการทำงานกว้าง โดยต่างกันเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์จุด

ตัวเลขที่แสดงให้เห็นว่าอัตราทดเดียวเพียงพอแค่ไหน

การคำนวณเพียงครั้งเดียวช่วยให้เห็นภาพความเพียงพอของเกียร์ทดอัตราเดียว รอบมอเตอร์สัมพันธ์กับอัตราทดเกียร์ ความเร็ว และเส้นผ่านศูนย์กลางยาง; หากคุณใช้สูตรนี้กับยานพาหนะอย่าง Hyundai Ioniq 5 ด้วยอัตราทดสุดท้าย 4.706 ยางขนาดราว 20 นิ้ว และความเร็วสูงสุดเชิงทฤษฎี 186 ไมล์/ชม. จะได้ว่ามอเตอร์หมุนที่ 14,000+ รอบ/นาที ด้วยอัตราทดเดียวกันนี้ เครื่องยนต์สันดาปภายในที่มีเขตแดงที่ 6,000 รอบ/นาที จะวิ่งได้เพียง 76 ไมล์/ชม. (ประมาณ 122 กม./ชม.) - ซึ่งต่ำกว่าความเร็วบนทางด่วนอย่างมาก ความสามารถในการหมุนรอบสูงของมอเตอร์ไฟฟ้าช่วยขจัดช่วงความเร็วที่อัตราทดเดียวไม่สามารถรองรับได้

ต้องชี้แจงประเด็นหนึ่งให้ชัดเจน: ยานยนต์ไฟฟ้าไม่ได้ปราศจากเฟืองโดยสมบูรณ์ มีความต่างโดยธรรมชาติระหว่างรอบของมอเตอร์กับรอบของล้อ และใน EV ทุกคันจะมี เกียร์ทด อัตราเดียวที่ชดเชยความต่างนี้ สิ่งที่หายไปคือกล่องเกียร์หลายสภาพ และการเปลี่ยนเกียร์ที่มาพร้อมกับมัน

ความเรียบง่าย การบำรุงรักษา และประสิทธิภาพ: ราคาที่ต้องจ่ายของชิ้นส่วนที่ถูกตัดออก

การตัดกล่องเกียร์หลายสภาพออกจากการออกแบบไม่ใช่แค่ความเรียบง่ายทางสายตา แต่เป็นผลกำไรทางวิศวกรรมที่วัดได้ เกียร์อัตโนมัติแบบดั้งเดิมประกอบด้วยส่วนประกอบหลัก 7 ส่วน และชิ้นส่วนประมาณ 800 ชิ้น; หากเสียหาย การเปลี่ยนอาจมีค่าใช้จ่ายถึง 1,800-3,400 ดอลลาร์ รวมค่าแรง ในทางตรงข้าม ระบบส่งกำลังทั้งหมดของ Tesla Model S มีชิ้นส่วนเคลื่อนที่รวมเพียงแค่ 20 ชิ้น และ Chevrolet Bolt เน้นย้ำว่ามีชิ้นส่วนเคลื่อนที่ น้อยกว่า 80% เมื่อเทียบกับรุ่นสันดาปภายในที่คล้ายกัน

ชิ้นส่วนเคลื่อนที่ที่น้อยลงหมายถึงสามสิ่ง: การสูญเสียพลังงานจากแรงเสียดทานลดลง รายการบำรุงรักษาอย่างการเปลี่ยนน้ำมันเกียร์ถูกลบออก และความเสี่ยงต่อความผิดพร่องทางกลไกลดลง เนื่องจากมอเตอร์นั้นทำงานอย่างมีประสิทธิภาพในช่วงกว้างอยู่แล้ว ระดับเฟืองเพิ่มเติมที่เข้ามาแทรกจึงมักสร้างความสูญเสียแทนกำไร - เฟืองคู่เพิ่มเติมแต่ละคู่จะเพิ่มประสิทธิภาพการเสียดทานของตัวเองเข้าไปในห่วงโซ่ ฝั่งผู้ขับขี่แล้ว ผลลัพธ์ชัดเจนมาก: การเร่งความเร็วที่ต่อเนื่องและราบรื่นโดยไม่ต้องเปลี่ยนเกียร์ เมื่อคุณแตะคันเร่ง มอเตอร์จะหมุนทันที และเมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น ล้อจะเร่งความเร็วโดยตรงโดยไม่มีการเปลี่ยนผ่านระดับใดๆ

ข้อยกเว้น: ทำไมจึงมียานยนต์ไฟฟ้าหลายสภาพเกียร์?

ความเพียงพอของเกียร์เดียวไม่ใช่ข้อบังคับทางฟิสิกส์ แต่เป็นทางเลือกที่เหมาะสมสำหรับยานพาหนะผลิตที่ใช้มอเตอร์ขนาดใหญ่ ข้อยกเว้นที่รู้จักกันดีที่สุดคือ Porsche Taycan: ใช้กล่อง 2 สภาพเกียร์ ที่เพลาหลัง ตามคำอธิบายของผู้ผลิต เกียร์ 1 ที่สั้น ช่วยให้มีแรงบีบมากขึ้นตอนออกตัวจากที่ตั้ง ขณะที่เกียร์ 2 ที่ยาว มอบประสิทธิภาพสูงและสำรองกำลังแม้ที่ความเร็วสูงมาก เกียรอัตโนมัติทำงานบนชุดคลัตช์เปียก (wet clutch pack) ที่ทำการเปลี่ยนเกียร์ในตัว

ตรรกะนี้คือเวอร์ชันที่ปรับย่อส่วนจากเหตุผลในโลกของเครื่องยนต์สันดาปภายใน ในยานพาหนะสมรรถนะสูงอย่าง Taycan ความเร็วสูงสุดและประสิทธิภาพบนมอเตอร์เวย์บีบให้อัตราทดเดียวต้องทำงานที่จุดที่ยากลำบาก สองระดับช่วยพาเครื่องยนต์ไปยังจุดที่เหมาะสมทั้งในตอนออกตัวและที่ความเร็วสูง การวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าเกียร์นี้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพบนมอเตอร์เวย์ได้ประมาณ 5% และยกระดับความเร็วสูงสุดของยานพาหนะ การประเมินบางส่วนยังระบุว่าเกียร์สองสปีดทำให้ Taycan เร็วกว่าคู่แข่งที่ใช้เกียร์เดียว การที่เพลาหน้าของยานพาหนะสามารถแยกออกและทำงานเป็นอิสระได้อย่างสมบูรณ์ ก็เป็นส่วนหนึ่งของการออกแบบเชิงไดนามิกของระบบขับเคลื่อนนี้

โซลูชันหลายเกียร์ในยานพาหนะเชิงพาณิชย์

ข้อยกเว้นกลุ่มที่สองเกี่ยวข้องกับโปรไฟล์การใช้งาน ไม่ใช่สมรรถนะ ยานพาหนะเชิงพาณิชย์บางประเภทต้องการทั้งแรงบิดในการออกตัวภายใต้น้ำหนักบรรทุกหนักและประสิทธิภาพระยะไกลพร้อมกัน เกียร์เพิ่มเติมหนึ่งระดับอาจมีประโยชน์ในเครื่องยนต์ขนาดเล็กที่ออกแบบมาให้มีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม ภาพรวมชัดเจน: ตัวอย่าง Taycan ที่โดดเด่นในปี 2019-2020 แม้จะถึงปี 2024 ก็ยังไม่ได้กลายเป็นแนวทางที่แพร่หลาย ยานพาหนะไฟฟ้าส่วนใหญ่ยังคงใช้เกียร์เดียว และเข้าใจได้ว่านี่ไม่ใช่ข้อบังคับทางเทคนิค แต่เป็นทางเลือกที่มีเหตุผล

การเพิ่มหลายเกียร์คุ้มค่าจริงหรือ? สมดุลระหว่างผลกำไรและความสูญเสีย

จากมุมมองการออกแบบ ข้อดีและข้อเสียของโซลูชันหลายเกียร์เชื่อมโยงกันอย่างแนบแน่น:

• ฝั่งผลกำไร: การเพิ่มประสิทธิภาพโดยพาเครื่องยนต์เข้าใกล้จุดทำงานที่เหมาะสมที่ความเร็วสูง การเร่งความเร็วที่ดีขึ้นและความเร็วสูงสุดที่สูงขึ้น การเลือกใช้แบตเตอรี่และมอเตอร์ที่เล็กลงในเชิงศักยภาพ ความยืดหยุ่นในการใช้งานบนภูมิประเทศที่ยากลำบาก
• ฝั่งความสูญเสีย: น้ำหนักเพิ่มเติมและต้นทุนการผลิต ความสูญเสียประสิทธิภาพจากเฟืองภายในของเกียร์เอง ผลตอบแทนที่จำกัดเมื่อเทียบกับราคาที่ต้องจ่าย

สำหรับมอเตอร์ขนาดใหญ่และทรงพลังใน EV ที่ผลิตจริง ฝั่งผลกำไรมักเป็นที่ถกเถียง: เกียร์หลายสปีดอาจไม่ให้การกระโดดด้านประสิทธิภาพครั้งใหญ่เมื่อเทียบกับเกียร์เดียว และความสูญเสียภายในของเกียร์อาจส่งผลเชิงลบต่อสมดุลได้แม้กระทั่ง ในฐานะข้อโต้แย้ง ผู้ผลิตรายหนึ่งได้เสนอระบบหลายเกียร์ที่อ้างว่าลดการใช้พลังงานได้ถึง 15% เมื่อเทียบกับระบบส่งกำลังแบบเกียร์เดียว อย่างไรก็ตาม ผลกำไรที่สมจริงจากข้ออ้างเช่นนี้ขึ้นอยู่กับลักษณะของมอเตอร์และโปรไฟล์การใช้งานของยานพาหนะอย่างแนบแน่น สมดุลโดยสรุปคือ: เกียร์เพิ่มเติมที่ลดรอบมอเตอร์ที่ความเร็วมอเตอร์เวย์สามารถลดการใช้พลังงานได้ แต่ความเห็นโดยรวมคือผลกำไรมีจำกัดเกินกว่าจะคุ้มกับความซับซ้อนในยานพาหนะส่วนใหญ่

คำถามที่พบบ่อย

รถยนต์ไฟฟ้ามีเกียร์หรือไม่?

มีครับ แต่ไม่ใช่ในความหมายแบบดั้งเดิม รถยนต์ไฟฟ้าส่วนใหญ่ใช้เฟืองทดรอบเดียวหรือขับเคลื่อนโดยตรง จึงไม่มีการทำงานที่เรียกว่าการเปลี่ยนเกียร์เกิดขึ้น คันเกียร์บนพวงมาลัยหรือคอนโซลเป็น ตัวเลือกที่เลือกตำแหน่ง P, R, N, D ไม่ใช่การควบคุมกล่องเกียร์หลายสภาพ

รถยนต์ไฟฟ้าเป็นเกียร์อัตโนมัติหรือไม่?

ใช่ ไม่มีคลัตช์และกล่องเกียร์หลายสภาพ ใช้มอเตอร์เกียร์เดียวที่ให้แรงบิดทันที สำหรับผู้ขับขี่ นั่นหมายถึงประสบการณ์การขับขี่ที่เป็นอัตโนมัติอย่างสมบูรณ์และไม่มีสะดุด

การเพิ่มเกียร์ช่วยเพิ่มระยะทางหรือไม่?

ที่ความเร็วของทางด่วน อาจลดการใช้พลังงานได้โดยการลดรอบมอเตอร์ แต่ความเห็นโดยทั่วไปคือประโยชน์ที่ได้มีจำกัด เนื่องจากมอเตอร์ทำงานด้วยประสิทธิภาพ 85-95% ในช่วงรอบการทำงานที่กว้างอยู่แล้ว การสูญเสียภายในและต้นทุนจากช่วงเกียร์เพิ่มเติมจึงไม่สามารถชดเชยผลบวกในการคำนวณระยะทางของรถส่วนใหญ่ได้

สรุป: เฟืองทดรอบที่เข้ามาแทนที่กล่องเกียร์ที่หายไป

กล่องเกียร์คือโซลูชันที่ค้นพบสำหรับปัญหาของมอเตอร์ที่ไม่สามารถกระจายแรงบิดไปยังช่วงความเร็วที่กว้างได้ เนื่องจากมอเตอร์ไฟฟ้าแก้ปัญหานี้ได้เองด้วยโซนแรงบิดคงที่และกำลังคงที่ โซลูชันนี้จึงถูกถอดออกจากยานพาหนะ และแทนที่ด้วยเฟืองทดรอบอัตราทดคงที่เพียงตัวเดียว ยานพาหนะอย่าง Taycan แสดงให้เห็นว่าการเพิ่มช่วงเกียร์ยังคงเป็นไปได้และมีความหมายเมื่อต้องการประสิทธิภาพสูงสุดหรือโปรไฟล์การใช้งานเฉพาะ - แต่นั่นเป็นข้อยกเว้น ในระบบส่งกำลังที่กฎถูกเขียนขึ้นใหม่ เกียร์ที่ดีที่สุดในหลายครั้งคือการไม่มีเกียร์เลย

แหล่งข้อมูล

• What Does it Mean that Electric Cars are Single Speed
• The powertrain: Pure performance
• Why the Porsche Taycan EV's Two-Speed Transmission Is ...
• Porsche Taycan electric car: 2-speed could be first of many ...
• Porsche Taycan Turbo S Two-Speed Transmission Explained
• EV vs. ICE: Transmission Technology Explained
• Electric Vehicle Motor Torque and Power Curves
• Technical guide No. 7: Dimensioning of a drive system
• What are the performance features of the 2020 Porsche Taycan
• Single-speed vs. multi-speed gearboxes in EVs
• Do Electric Cars Have Transmissions?
• Are All Electric Cars Automatic?