Подавляющее большинство электромобилей в настоящее время не используют коробку передач. Есть три основные причины, почему это происходит, но прежде чем мы углубимся в детали, нам нужно объяснить, что такое коробка передач и что она делает в автомобиле с ДВС. Так будет легче понять, почему коробка передач не имеет принципиального значения в электромобилях. Также мы постараемся объяснить, в каких случаях это может быть полезным дополнением и какую пользу оно приносит.
Что такое коробка передач и для чего она нужна в автомобиле с ДВС?
Двигатели ДВС, в отличие от электродвигателей, не вырабатывают достаточного крутящего момента на холостом ходу, чтобы иметь возможность сдвинуть автомобиль с места, нам нужны более высокие обороты, чтобы производить больший крутящий момент. Но диапазон оборотов двигателя ограничен и, как следствие, скорость автомобиля будет ограничена, поэтому мы используем коробки передач. Короче говоря, коробка передач в сочетании с передаточным числом главной передачи представляет собой мультипликатор крутящего момента. Возможно, вы раньше слышали о передаточных числах передач и главной передачи, но, возможно, вы не знали, что означают эти цифры.
Начнем с передаточного числа. Предположим, вы выбрали 1-ю передачу на своем автомобиле с ДВС. Предположим также, что 1-я передача имеет передаточное число 3:1. Это означает, что крутящий момент, создаваемый двигателем, умножается на 3. Чтобы определить, во сколько раз умножается крутящий момент на колесах автомобиля, нам также необходимо учитывать передаточное число главной передачи. Если, опять же, передаточное число главной передачи равно 3:1, крутящий момент колеса автомобиля в девять раз превышает крутящий момент двигателя. Если двигатель вашего автомобиля выдает крутящий момент 200 Нм на 1-й передаче с указанными передаточными числами, крутящий момент на колесах составит 200 Нм х 9 = 1800 Нм.
Без коробки передач такое увеличение было бы невозможно, и машина стояла бы на месте, даже если бы мы нажали на педаль газа. Коробка передач в автомобиле с ДВС должна быть спроектирована таким образом, чтобы идеально сочетать мощностные и крутящие характеристики двигателя, его экономичность при различных нагрузках и, конечно же, максимальную скорость, заданную инженерами для выбранного автомобиля.
Эти решения, несмотря на значительное развитие за последние десятилетия, по-прежнему являются компромиссом. Коробки передач снижают эффективность всей трансмиссии, увеличивая расход топлива и потери энергии.
Как обстоят дела с электромобилями?
Электродвигатели обладают тремя собственными свойствами, которые решают инженерные проблемы при разработке коробки передач и в большинстве случаев делают коробку передач ненужной. К этим свойствам относятся высокий крутящий момент с нулевых оборотов, возможность электродвигателей работать на высоких оборотах и ограниченная электроникой максимальная скорость. Давайте рассмотрим эти свойства одно за другим.
Высокий крутящий момент с нулевых оборотов довольно очевиден. Помните, что коробки передач в основном представляют собой устройства, увеличивающие крутящий момент. Если у вас высокий крутящий момент уже с нуля, нет необходимости дополнительно умножать его, используя несколько передаточных чисел.
Однако решающее значение имеет способность работать на высоких оборотах. Поскольку электродвигатель может вращаться со скоростью до 20 000 об/мин и иметь высокий крутящий момент во всем диапазоне, максимальная скорость легко достижима всего с одним передаточным числом. Последняя причина – ограниченная электроникой максимальная скорость электромобиля. Это происходит не только из-за отсутствия коробки передач, но и из-за относительно низкого энергоемкости нынешних высоковольтных батарей по сравнению с жидким топливом.
Давайте посмотрим на BMW i4 eDrive 40, чтобы лучше понять это: максимальный крутящий момент двигателя составляет 430 Нм в диапазоне 0–5000 об/мин, а передаточное число комбинированной передачи и главной передачи составляет 11,115:1. Это означает, что крутящий момент на колесах составляет 4780 Нм! Теперь понятно, почему электромобили в целом являются королями светофоров.
Предположим, максимальная скорость автомобиля составляет 190 км/ч. На максимальной скорости мотор вращается со скоростью 16 500 об/мин. При типичной скорости по шоссе 130 км/ч двигатель вращается со скоростью примерно 11 300 об/мин. Как вы можете видеть на этом примере, электродвигатель имеет достаточный диапазон оборотов, чтобы удовлетворить все требования без необходимости использования коробки передач.
Парадигма Porsche и Audi
Porsche Taycan и Audi E-Tron GT используют двухскоростную коробку передач в заднем двигателе. Теперь, прежде чем вы скажете: «Эй, вы только что сказали нам, что в электромобилях коробки передач не нужны». В идеале мы хотели бы иметь короткое передаточное число на низких и средних скоростях для более быстрого ускорения и более длинное передаточное число на более высоких скоростях, чтобы снизить частоту вращения электродвигателя.
Почему нам нужно снижать обороты двигателя на более высоких скоростях? Ну, по двум причинам. Прежде всего, уменьшая частоту вращения двигателя, мы повышаем его эффективность (за счет уменьшения противо-ЭДС и вихревых токов) и, таким образом, также увеличивается запас хода автомобиля. И вторая причина – это возможность достичь более высоких максимальных скоростей без чрезмерного вращения мотора.
Проблема с внедрением двухскоростных коробок передач заключается в том, что им сложно справиться с огромным и мгновенным крутящим моментом, создаваемым электродвигателями. Тем не менее, некоторые производители сейчас разрабатывают двухскоростные коробки передач для электромобилей.
Если им удастся произвести их в больших масштабах, с надежной надежностью и разумной ценой, мы можем увидеть, что их будет использовать больше массовых автомобилей, а не только суперкары, такие как Porsche Taycan и Audi e-Tron GT. Однако дополнительная сложность и высокая цена намного перевешивают потенциальные выгоды.
