Zdecydowana większość współczesnych samochodów elektrycznych nie posiada skrzyni biegów. Dzieje się tak z trzech głównych powodów, ale zanim zagłębimy się w szczegóły, musimy wyjaśnić, czym jest skrzynia biegów i do czego służy w samochodzie ICE. Dzięki temu łatwiej będzie zrozumieć, dlaczego w samochodach elektrycznych skrzynia biegów nie odgrywa fundamentalnego znaczenia. Postaramy się także wyjaśnić w jakich przypadkach może być przydatnym dodatkiem i jakie korzyści niesie ze sobą.
Co to jest skrzynia biegów i do czego służy w samochodzie ICE?
Silniki ICE w przeciwieństwie do silników elektrycznych nie wytwarzają wystarczającego momentu obrotowego na biegu jałowym, aby móc ruszyć pojazdem, potrzebujemy wyższych obrotów, aby wytworzyć większy moment obrotowy. Jednak zakres obrotów silnika jest ograniczony i w rezultacie prędkość samochodu byłaby ograniczona, dlatego używamy skrzyń biegów. Krótko mówiąc, skrzynia biegów w połączeniu z przełożeniem końcowym to wzmacniacz momentu obrotowego. Być może słyszałeś już o przełożeniach skrzyni biegów i przekładni głównej, ale być może nie wiedziałeś, co oznaczają te liczby.
Zacznijmy od przełożenia skrzyni biegów. Załóżmy, że w swoim samochodzie ICE wybrałeś 1. bieg. Załóżmy również, że pierwszy bieg ma przełożenie 3:1. Oznacza to, że moment obrotowy wytwarzany przez silnik jest pomnożony przez 3. Aby określić, ile razy zwiększa się moment obrotowy w kołach samochodu, musimy również wziąć pod uwagę przełożenie końcowe. Jeśli ponownie przełożenie końcowe wynosi 3:1, moment obrotowy na kołach samochodu jest dziewięciokrotnie większy od momentu obrotowego silnika. Jeśli silnik Twojego samochodu wytwarza moment obrotowy 200 Nm na 1. biegu przy powyższych przełożeniach, moment obrotowy na kołach wynosi 200 Nm x 9 = 1800 Nm.
Bez skrzyni biegów takie zwielokrotnienie nie byłoby możliwe, a samochód stałby w miejscu, nawet gdybyśmy wcisnęli pedał gazu. Skrzynia biegów w samochodzie ICE musi być zaprojektowana w taki sposób, aby idealnie łączyć charakterystykę mocy i momentu obrotowego silnika, jego sprawność przy różnych obciążeniach i oczywiście prędkość maksymalną, jaką inżynierowie określili dla wybranego pojazdu.
Rozwiązania te, pomimo znacznego rozwoju na przestrzeni ostatnich dziesięcioleci, nadal mają charakter kompromisowy. Skrzynie biegów powodują własną nieefektywność w całym układzie napędowym, zwiększając zużycie paliwa i straty energii.
Jak to jest z samochodami elektrycznymi?
Silniki elektryczne mają trzy natywne właściwości, które rozwiązują problemy inżynieryjne podczas projektowania skrzyń biegów i w większości przypadków sprawiają, że skrzynia biegów jest niepotrzebna. Właściwości te obejmują wysoki moment obrotowy już od zera obrotów na minutę, wysoką wydajność silników elektrycznych przy wysokich obrotach i elektronicznie ograniczone prędkości maksymalne. Omówmy te właściwości jedna po drugiej.
Wysoki moment obrotowy już od zera obrotów jest dość oczywisty. Pamiętajmy, że skrzynie biegów to przede wszystkim urządzenia zwielokrotniające moment obrotowy. Jeśli masz wysoki moment obrotowy już od zera obrotów, nie ma potrzeby jego dalszego mnożenia poprzez stosowanie wielu przełożeń.
Najważniejszą rzeczą jest jednak możliwość wysokich obrotów. Ponieważ silnik elektryczny może obracać się z prędkością do 20 000 obr./min, a wysoki moment obrotowy jest dostępny w całym zakresie, prędkość maksymalną można łatwo osiągnąć przy jednym przełożeniu. Ostatnim powodem jest elektronicznie ograniczona prędkość maksymalna samochodu elektrycznego. Dzieje się tak nie tylko z powodu braku skrzyni biegów, ale ze względu na stosunkowo niską zawartość energii w obecnych akumulatorach wysokiego napięcia w porównaniu z paliwami płynnymi.
Aby lepiej to zrozumieć, przyjrzyjmy się BMW i4 eDrive 40 – ma on maksymalny moment obrotowy silnika 430 Nm w zakresie 0-5000 obr./min oraz łączne przełożenie przekładni i przekładni głównej wynoszące 11,115:1. Oznacza to, że moment obrotowy koła wynosi 4780 Nm! Teraz staje się jasne, dlaczego samochody elektryczne w ogóle królują na sygnalizacji świetlnej.
Załóżmy, że prędkość maksymalna samochodu wynosi 190 km/h. Przy maksymalnej prędkości silnik obraca się z prędkością 16 500 obr./min. Przy typowej prędkości autostradowej 130 km/h silnik obraca się z prędkością około 11 300 obr./min. Jak widać na tym przykładzie, silnik elektryczny ma wystarczający zakres obrotów, aby spełnić wszystkie wymagania bez konieczności stosowania skrzyni biegów.
Paradygmat Porsche i Audi
Zarówno Porsche Taycan, jak i Audi E-Tron GT wykorzystują dwubiegową skrzynię biegów w tylnym silniku. A teraz, zanim odejdziesz: „Hej, właśnie nam powiedziałeś, że w samochodach elektrycznych nie są potrzebne skrzynie biegów”. Idealnie byłoby, gdybyśmy mieli krótkie przełożenie przy niskich i średnich prędkościach, aby zapewnić większe przyspieszenie, i dłuższe przełożenie przy wyższych prędkościach, aby zmniejszyć obroty silnika elektrycznego.
Dlaczego musimy zmniejszać obroty silnika przy wyższych prędkościach? Cóż, z dwóch powodów. Po pierwsze, zmniejszając obroty silnika, poprawiamy jego wydajność (poprzez zmniejszenie elektromagnesu zwrotnego i prądów wirowych), a co za tym idzie, poprawia się również zasięg samochodu. Drugim powodem jest możliwość osiągnięcia wyższych prędkości maksymalnych bez nadmiernych obrotów silnika.
Problemem związanym z przyjęciem dwubiegowych skrzyń biegów jest ich techniczna trudność w obsłudze ogromnego i natychmiastowego momentu obrotowego wytwarzanego przez silniki elektryczne. Niemniej jednak niektórzy producenci opracowują obecnie dwubiegowe skrzynie biegów do samochodów elektrycznych.
Jeśli uda im się wyprodukować je na dużą skalę, charakteryzując się solidną niezawodnością i rozsądną ceną, możemy zobaczyć, że będzie je wykorzystywać więcej popularnych samochodów, a nie tylko supersamochody, takie jak Porsche Taycan i Audi e-Tron GT. Jednak nie, dodatkowa złożoność i wysoka cena znacznie przewyższają potencjalne korzyści.
