Есть ли коробка передач в электромобиле?

Когда вы впервые садитесь в электромобиль, вы можете не увидеть рычага переключения передач. Нажмите на акселератор (не на «педаль газа»), и вы не почувствуете, что трансмиссия переключает передачи. Есть ли у электромобилей коробка передач?

Ответ зависит от того, кого вы спрашиваете. Просматривая авторитетные автомобильные веб-сайты, вы найдете разные ответы, от «без коробки передач» до «своего рода трансмиссии» и «односкоростной трансмиссии». Здесь мы выясним факты и разберемся, что движет вашим электромобилем. (1, 2, 3)

Что делает коробка передач?

Коробка передач – это комплекс механизмов, передающий мощность, поэтому в самом строгом, машиностроительном смысле каждый автомобиль имеет коробку передач.

Трансмиссия, или коробка передач транспортного средства передает мощность вращения источника энергии, будь то электродвигатель или двигатель внутреннего сгорания (ДВС), через набор шестерен на дифференциал, блок, который вращает колеса. Но в просторечии многие люди думают о трансмиссии как о части двигателя, которая переключает передачи с низкой скорости на высокую или с переднего на задний ход, как в «механической коробке передач» и «автоматической коробке передач».

Читайте также, как работает электромобиль.

Обычная коробка передач

В автомобиле, работающем на бензине, двигатель внутреннего сгорания должен вращаться с разными скоростями, чтобы не глохнуть (потому что он вращается слишком медленно) и не перегреваться (потому что он вращается слишком быстро). Этот диапазон составляет примерно от 500 до 7000 оборотов в минуту (об/мин). Чтобы компенсировать это ограничение, трансмиссия регулирует соотношение между вращением двигателя и вращением колес, переключаясь между низшей и высшей передачами.

Самая низкая передача вращается медленнее, чем двигатель, что позволяет двигателю работать на достаточно высоких оборотах, чтобы не заглохнуть. Самая низкая передача вращается медленно – задействуется самая большая шестерня по размеру, которая передает большую силу, но меньшую скорость на колеса, поскольку шестерня должна двигать транспортное средство вперед от полной остановки.

Наивысшая передача, напротив, является самой маленькой и работает с «перегрузкой» – это означает, что она вращается быстрее, чем двигатель, что позволяет автомобилю двигаться с высокой скоростью без перегрева двигателя. В автомобиле с механической коробкой передач включение сцепления выключает одну передачу, так что вы можете переключиться на другую. Автоматическая коробка передач делает то же самое, но без вмешательства водителя.

Что такое лошадиные силы?

Мощность двигателя определяется скоростью и крутящим моментом. Скорость определяется как скорость, с которой двигатель вращается, а крутящий момент – это величина силы вращения, которую двигатель создает. Когда двигатель с постоянной подачей мощности вращается быстро, он теряет крутящий момент. Когда он вращается медленнее, крутящий момент увеличивается.

Читайте также: Как долго служат аккумуляторы электромобилей?

Как работает электромотор?

Среди отличительных особенностей электромобилей – тихий, мгновенный и плавный разгон. Это связано с тем, что двигательная установка в электромобиле работает иначе. Как следует из их названий, основное различие между электромобилями и автомобилями с бензиновым двигателем – это источник топлива. Когда вы нажимаете на акселератор электромобиля, электричество передается от аккумулятора к электродвигателю, заставляя его быстро вращаться.

Большинство электромобилей имеют один двигатель переменного тока, подключенный к коробке передач. То, что находится в коробке передач, некоторые люди называют трансмиссией, поскольку это действительно набор шестерен, передающих вращение двигателя вращению колес. Но более точным для него названием будет односкоростной редуктор, поскольку несколько шестерен в коробке передач всегда связаны друг с другом и, таким образом, все вращаются одновременно.

Редуктор снижает число оборотов двигателя до более приемлемых оборотов колес в соотношении примерно 10:1. Таким образом, нет ни сцепления, ни отключения передач, ни переключения между передачами разного размера в зависимости от потребностей автомобиля – другими словами, нет трансмиссии.

Есть ли задний ход?

Поскольку двигатель в электромобиле обычно использует переменный ток, нет необходимости в передаче заднего хода. Двигатель просто вращается в противоположном направлении.

Двигатель переменного тока может вращаться от нуля до 10 000 об/мин и более. (Двигатель в Tesla Model S Plaid 2021 года может вращаться со скоростью до 23 308 об/мин, что является одной из причин, по которой он может разгоняться до 320 км/час.) Это дает электромобилям большой крутящий момент в широком диапазоне скоростей с «золотой серединой» между достаточным крутящим моментом и достаточной скоростью в диапазоне 50–65 км/час. Энергия передается напрямую и почти мгновенно от двигателя к колесам, а не через коробку передач, и при переходе с одной скорости на другую не нужно переключаться с одной передачи на другую, что обеспечивает плавное и тихое ускорение. (4)

Отсутствие коробки передач снижает трение (и, следовательно, износ), которое возникает при включении и выключении нескольких передач. Плавный переход также лучше поддерживает движение транспортного средства вперед, чем переключение передач, что является одной из причин, почему электромобили намного эффективнее расходуют энергию.

В целом электромобиль в среднем преобразует 77% электроэнергии, хранящейся в его аккумуляторе, для движения вперед, в то время как автомобиль с бензиновым двигателем преобразует от 12% до 30% энергии, хранящейся в бензине в его баке. Большая часть остального расходуется в виде тепла. Эффективность передачи мощности от двигателя электромобиля к колесам составляет от 89% до 98%, в зависимости от транспортного средства, тогда как в автомобиле с ДВС тот же процесс от двигателя к колесам имеет эффективность только от 14% до 26%. (5)

Читайте также об эффективности работы электромобилей в холодную погоду.

Могут ли электромобили иметь несколько передач?

Любому транспортному средству, ДВС или электромобилю, требуется больше крутящего момента, чем скорость, чтобы привести автомобиль в движение от полной остановки, и больше скорости, чем крутящего момента, когда транспортное средство уже набирает скорость. Так разве электромобили не выиграют от использования нескольких передач? Да, но за счет более сложной системы, требующей большего количества деталей, большего веса и большего количества рабочей силы – другими словами, больших затрат потребителя как на начальном этапе, так и на техническое обслуживание.

Некоторые новые электромобили, в том числе Audi e-tron GT и Porsche Taycan, имеют несколько передач, что позволяет им передавать больший крутящий момент на колеса для увеличения ускорения. Планируемый Jeep Magneto будет даже иметь многоступенчатую механическую коробку передач. Такие гоночные автомобили, как те, что используются в полностью электрической Формуле Е, также имеют трансмиссию. (6, 7, 8, 9)

Когда на рынке появятся электрические грузовики, особенно 18-колесные, возможно, они будут иметь несколько передач и трансмиссию, но, учитывая широкий диапазон оборотов, возможный с электродвигателем, их может быть всего две: одна для крутящего момента, другая для крейсерской скорости, с переходом от одного к другому со скоростью около 50 км/час. (Грядущий Tesla Semi будет иметь только односкоростной редуктор.) То же самое относится и к меньшим транспортным средствам, где важна способность буксировать или перевозить тяжелые грузы. (10, 11)

Бесступенчатая трансмиссия

Некоторые автомобили с ДВС и гибридные автомобили имеют бесступенчатую трансмиссию (CVT), форму автоматической трансмиссии, которая плавно ускоряется от скорости к скорости, используя шкивы, а не шестерни. Для электромобилей недавно были внедрены системы вариатора, которые могут увеличивать крутящий момент на более низких скоростях, чтобы приспособиться к более тяжелым транспортным средствам и нагрузкам. Это избавляет инженеров от необходимости искать компромисс между крутящим моментом и скоростью. (12, 13)

Обещая более высокую эффективность, системы CVT могут позволить электромобилям увеличить свой запас хода, что является ключевой проблемой для потенциальных покупателей электромобилей. (14)

Читайте также: Используется ли в электромобилях моторное масло?

Несколько двигателей вместо нескольких шестерен

Некоторые электромобили решают эту проблему, имея несколько двигателей с разными передаточными числами для обеспечения большего или меньшего крутящего момента, в зависимости от потребностей транспортного средства, при этом электроника более эффективно переключает электроны на разные двигатели в отличии от коробки передач, которая менее эффективно переключает передачи. Например, высокопроизводительный Lucid Air выпускается в двух- или трехмоторной версии, как и многие автомобили Tesla. (15)

И в отличие от шестерен в автомобиле с ДВС, несколько двигателей в электромобиле могут использоваться одновременно, обеспечивая автомобилю скорость и крутящий момент, повышенное тяговое усилие или большую маневренность. У электрических пикапов Rivian даже есть независимые двигатели, прикрепленные к каждому колесу, что позволяет грузовику совершать «повороты на месте».

Пристегнитесь

Будущее электромобилей не ограничено, и в нем постоянно появляются новые способы обеспечения тяги. Илон Маск даже обещает, что следующая итерация Tesla Roadster будет иметь «систему подруливающего устройства на холодном газе SpaceX». Пристегните ремни безопасности и следите за обновлениями. (16)

Treehugger