Трансмиссии с электродвигателями: руководство по проектированию, выбору и техническому обслуживанию

Что на самом деле сочетает в себе трансмиссия с электродвигателем

Ан электродвигатель, коробка передач объединяет три функции, которые раньше требовали отдельных компонентов в одном корпусе: электродвигатель, понижающую передачу и дифференциал, который распределяет мощность между двумя ведущими колесами. В обычном бензиновом автомобиле двигатель, трансмиссия и осевой дифференциал обычно представляют собой отдельные узлы, соединенные карданными валами. В электромобиле, построенном на основе коробки передач, все это находится в одном компактном блоке, установленном непосредственно на оси, поэтому эта конструкция стала архитектурой по умолчанию для большинства электромобилей, многих гибридных автомобилей и растущего числа электрических тележек для гольфа, вилочных погрузчиков и легких внедорожников.

Эта консолидация имеет значение, поскольку электродвигатели ведут себя совсем иначе, чем двигатели внутреннего сгорания. Электродвигатель практически мгновенно вырабатывает полный крутящий момент с места и может безопасно вращаться на гораздо более высоких оборотах, чем поршневой двигатель, а это означает, что передача, необходимая для перевода мощности двигателя в полезную скорость вращения колес и крутящий момент, совершенно отличается от традиционной многоскоростной трансмиссии. В большинстве электрических трансмиссий используется одно фиксированное передаточное число, а не несколько выбираемых передач, поскольку широкий диапазон крутящего момента двигателя делает переключение практически ненужным для повседневной езды.

Основные компоненты внутри корпуса

Если открыть типичную электрическую коробку передач, можно увидеть довольно компактный набор деталей, работающих вместе в общем корпусе. Электродвигатель расположен на одном конце, обычно это синхронный двигатель с постоянными магнитами или асинхронный двигатель, в зависимости от проектных приоритетов производителя в отношении эффективности, стоимости и высокоскоростных характеристик. К выходному валу двигателя прикреплен редуктор, чаще всего двух- или трехступенчатая косозубая зубчатая передача, хотя в некоторых конструкциях используются планетарные передачи для более компактной конструкции.

От понижающей передачи мощность передается на открытый или самоблокирующийся дифференциал, который позволяет двум ведущим колесам вращаться с разной скоростью во время поворота, получая при этом мощность от одного двигателя. Все это окружает система смазки, обычно разбрызгивающая или насосная система низкого давления, использующая специальную жидкость для коробки передач, предназначенную как для смазки зубчатых передач, так и, во многих конструкциях, для некоторой степени охлаждения двигателя.

Основные подсистемы, которые нужно знать

• Электроприводной двигатель с постоянным магнитом или индукционного типа.
• Редуктор с фиксированным передаточным числом, обычно винтовой или планетарный.
• Открытый или самоблокирующийся дифференциал
• Встроенный контур смазки и охлаждения
• Комплекты герметичных подшипников, поддерживающих двигатель и выходные валы

Односкоростная конструкция и почему несколько передач нужны редко

Один из наиболее частых вопросов от людей, переходящих с автомобилей с двигателем внутреннего сгорания, заключается в том, почему электрические коробки передач почти никогда не включают многоступенчатую коробку передач. Ответ кроется в форме кривых крутящего момента и мощности электродвигателя. Бензиновый двигатель развивает сильный крутящий момент только в узком диапазоне оборотов, поэтому существует несколько передач, позволяющих двигателю работать в оптимальном диапазоне в широком диапазоне скоростей автомобиля. Электродвигатели, напротив, обеспечивают почти максимальный крутящий момент с нуля об/мин и поддерживают полезную выходную мощность в гораздо более широком диапазоне скоростей, часто до 15 000 или даже 20 000 об/мин в некоторых конструкциях.

По этой причине одно, тщательно выбранное передаточное число может обеспечить приемлемые характеристики от трогания с места до скоростей на шоссе без увеличения веса, стоимости и механической сложности механизмов переключения. Некоторые высокопроизводительные электромобили используют двухскоростные коробки передач для улучшения ускорения на низких оборотах или эффективности на максимальной скорости, но для более широкого рынка это остается скорее исключением, чем правилом.

Выбор подходящей коробки передач для конкретного автомобиля

Выбор коробки передач с электродвигателем для новой конструкции автомобиля или проекта переоборудования требует сопоставления нескольких спецификаций с предполагаемым вариантом использования, а не просто выбора доступного варианта с максимальной мощностью. Номинальная постоянная мощность имеет большее значение, чем пиковая мощность, для длительных применений, таких как движение по шоссе или буксировка, поскольку трансмиссия, которая может поддерживать номинальную мощность только в течение нескольких секунд до термического дросселирования, разочарует в реальном использовании, даже если ее пиковое значение на бумаге выглядит впечатляющим.

Выбор передаточного числа должен основываться на целевой максимальной скорости и желаемых характеристиках ускорения, поскольку более короткое передаточное число главной передачи улучшает ускорение и способность преодолевать подъемы за счет более низкой максимальной скорости и небольшого снижения эффективности на шоссе, тогда как более высокое передаточное число делает противоположное. Покупатели также должны подтвердить, что тип дифференциала соответствует их применению; открытый дифференциал подходит для типичного пассажирского использования, но высокопроизводительные автомобили или внедорожники выигрывают от дифференциала повышенного трения или дифференциала с электронным управлением, который лучше управляет подачей мощности, когда одно колесо теряет сцепление с дорогой.

Ключевые характеристики для сравнения

Стратегии охлаждения и их влияние на надежность

Управление теплом внутри электрической коробки передач напрямую влияет как на стабильность производительности, так и на долгосрочную надежность. Конструкции с воздушным охлаждением, распространенные в устройствах с низким энергопотреблением, таких как тележки для гольфа и легкие грузовые автомобили, полагаются на поток воздуха через ребристые корпуса и просты и не требуют особого обслуживания, но ограничены в том, сколько устойчивой энергии они могут рассеивать до того, как производительность ухудшится. В конструкциях с жидкостным охлаждением охлаждающая жидкость циркулирует по каналам, окружающим статор двигателя, а иногда и через сам корпус редуктора, что обеспечивает устойчивую работу на высокой мощности без теплового дросселирования, которое мешает агрегатам с воздушным охлаждением при тяжелых или длительных нагрузках.

В некоторых высокопроизводительных трансмиссиях используется охлаждение на масляной основе, при котором та же жидкость, которая используется для смазки шестерен, циркулирует непосредственно через обмотки двигателя или вокруг них, что обеспечивает эффективную теплопередачу, но требует тщательного выбора жидкости, поскольку масло должно одновременно удовлетворять как требованиям электрической изоляции двигателя, так и потребностям в смазке зубчатой ​​передачи при сверхвысоких давлениях. Покупателям, оценивающим коробки передач для требовательных применений, таких как коммерческие транспортные средства или автомобили с высокими эксплуатационными характеристиками, следует конкретно задать вопрос о стабильной номинальной мощности при реалистичных рабочих температурах, а не полагаться исключительно на пиковые значения при холодном запуске из спецификации.

Рекомендации по установке для переоборудования и новых сборок

Для инженеров, работающих над переоборудованием электромобилей или сборкой малосерийных автомобилей по индивидуальному заказу, установка электрической коробки передач требует внимания к нескольким деталям, помимо простого крепления ее на место болтами. Точки крепления должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать мгновенную передачу крутящего момента электродвигателя, который может создавать более высокую пиковую нагрузку на опоры, чем сопоставимый бензиновый двигатель, который наращивает крутящий момент более постепенно. Жесткие или плохо спроектированные опоры могут передавать чрезмерную вибрацию и шум в кабину, поэтому многие производители используют гидравлические или эластомерные опоры, настроенные специально с учетом характеристик электрической трансмиссии.

Выбор полуосей также заслуживает пристального внимания, поскольку шарниры равных угловых скоростей, соединяющие коробку передач со ступицами колес, должны быть рассчитаны на мгновенные скачки крутящего момента, которые может обеспечить электродвигатель, особенно во время агрессивного ускорения с места. Использование полуосей, рассчитанных только на средний выходной крутящий момент, а не на максимальный крутящий момент, является распространенной причиной преждевременного выхода из строя ШРУСов в переоборудованных автомобилях.

Контрольный список перед окончательной установкой

• Убедитесь, что точки крепления рассчитаны на мгновенную передачу крутящего момента, а не только на статический вес.
• Убедитесь, что номинальный крутящий момент полуоси превышает пиковую мощность коробки передач.
• Проверьте прокладку трубопровода охлаждающей жидкости на наличие перегибов или чрезмерного радиуса изгиба.
• Убедитесь, что проводка датчика положения двигателя экранирована от помех высоковольтного кабеля.
• Убедитесь, что уровни и тип жидкости точно соответствуют спецификациям производителя.

Методы технического обслуживания, продлевающие срок службы

Коробки передач с электродвигателями требуют гораздо меньше регулярного обслуживания, чем традиционная комбинация двигателя и трансмиссии, но они не являются полностью необслуживаемыми. Трансмиссионное масло следует проверять и заменять в соответствии с графиком производителя, поскольку даже в герметичной системе со временем могут накапливаться металлические частицы в результате нормального износа шестерен, а деградировавшая жидкость теряет способность защищать как шестерни, так и, в конструкциях с масляным охлаждением, сами обмотки двигателя.

Системы охлаждающей жидкости в коробках передач с жидкостным охлаждением нуждаются в периодической проверке на предмет утечек, правильной концентрации охлаждающей жидкости и чистоте потока воздуха через соответствующий радиатор, поскольку система охлаждающей жидкости, которая постепенно теряет эффективность, может привести к постепенной деградации двигателя задолго до того, как произойдет какой-либо серьезный отказ. Уплотнения подшипников также следует периодически проверять на наличие признаков утечек, поскольку выход из строя уплотнения, из-за которого происходит утечка трансмиссионного масла или попадание загрязнений, может быстро привести к ускоренному износу всего узла.

Владельцы и менеджеры автопарка должны вести простой журнал технического обслуживания, отслеживая изменения жидкости, доливки охлаждающей жидкости, а также любой необычный шум или вибрацию, о которых сообщают водители, поскольку проблемы с электрической коробкой передач часто сообщают о себе через незначительные изменения звука или плавности хода задолго до того, как произойдет катастрофический отказ. Выявить эти ранние признаки во время планового технического обслуживания гораздо дешевле, чем заменить поврежденный блок после полного отказа.

Подбор коробки передач для вашего конкретного случая использования

В конечном счете, лучшая трансмиссия с электродвигателем для любого конкретного проекта зависит от соответствия постоянной мощности, крутящего момента, передаточного числа и охлаждающей способности фактическим требованиям рассматриваемого автомобиля, а не от погони за максимально доступным пиковым значением мощности. Низкоскоростной внедорожник или гольф-кар выигрывает от простого маломощного агрегата с воздушным охлаждением, который сводит к минимуму стоимость и сложность, в то время как коммерческому транспортному средству или сборке, ориентированной на производительность, требуется агрегат с жидкостным охлаждением с устойчивой номинальной мощностью, которая отражает реальные условия эксплуатации, а не краткие пиковые нагрузки на испытательном стенде.

Покупатели и инженеры должны запросить полные технические характеристики, охватывающие непрерывную и пиковую мощность, кривые крутящего момента во всем диапазоне оборотов, характеристики дифференциала и подробную информацию о системе охлаждения, прежде чем переходить к конкретной коробке передач, и должны сравнивать эти цифры непосредственно с требованиями их предполагаемого применения, а не полагаться только на маркетинговые обзоры.