В автомобиле с двигателем внутреннего сгорания коробка передач кажется настолько привычной частью конструкции, что ее отсутствие в электромобиле может показаться странным. Машине необходимо тронуться с места, разогнаться до 100 км/ч, спокойно двигаться по трассе и при необходимости достичь максимальной скорости. Почему бензиновому автомобилю для этого нужны пять, шесть, восемь или даже больше передач, а электромобилю обычно хватает одной?
Ответ скрывается в совершенно разных характеристиках двигателей.
Зачем автомобилю вообще нужна коробка передач
Двигатель внутреннего сгорания эффективно работает только в определенном диапазоне оборотов. На очень низких оборотах ему не хватает крутящего момента, а бесконечно увеличивать обороты невозможно. Коробка передач решает эту проблему с помощью разных передаточных отношений. На первой передаче скорость вращения двигателя преобразуется в значительно больший крутящий момент на колесах, позволяя автомобилю уверенно тронуться и разгоняться. По мере роста скорости включаются более высокие передачи.
Предположим, двигатель выдает 200 Нм, первая передача имеет отношение 3:1, а главная передача — еще 3:1. Без учета потерь на колесах получится уже около 1800 Нм. Именно поэтому автомобиль способен быстро набирать скорость даже с относительно небольшим крутящим моментом самого двигателя. Но за эту универсальность приходится платить. Коробка передач увеличивает массу, сложность и стоимость автомобиля, а дополнительные механические компоненты создают потери энергии.
Почему электромобилю достаточно одной передачи
Электродвигатель обладает принципиально другими характеристиками. Один из его главных козырей — способность выдавать высокий крутящий момент практически с нулевых оборотов. Именно поэтому электромобили способны настолько резко стартовать. Двигателю не нужно сначала набрать несколько тысяч оборотов, а трансмиссии — использовать короткую первую передачу, чтобы обеспечить необходимую тягу.
Но одного высокого крутящего момента недостаточно. Второе важное преимущество заключается в огромном рабочем диапазоне оборотов. Электромоторы способны раскручиваться примерно до 20 000 об/мин, а некоторые современные агрегаты — и выше. Получается очень удобное сочетание: электродвигатель способен обеспечить большую тягу при старте и при этом продолжать работать на оборотах, соответствующих движению автомобиля с высокой скоростью. Несколько передач для перекрытия этого диапазона просто не требуются.
Поэтому вместо привычной коробки большинство электромобилей используют простой одноступенчатый редуктор с постоянным передаточным отношением.
Тысячи ньютон-метров на колесах
Хорошо принцип работы показывает BMW i4 eDrive40. Электродвигатель этой модели развивает до 430 Нм, а суммарное передаточное отношение составляет примерно 11,1:1. Это означает, что без учета механических потерь на колеса может передаваться около 4780 Нм. Поэтому дополнительная первая передача электромобилю попросту не требуется.
При движении со скоростью около 130 км/ч электромотор вращается примерно со скоростью 11 300 об/мин, а около максимальных 190 км/ч — порядка 16 500 об/мин. Для электродвигателя это нормальный рабочий диапазон. Одного передаточного отношения оказывается достаточно практически для всех режимов движения.
Тогда зачем Porsche Taycan две передачи?
И все же из правила существуют интересные исключения. Porsche Taycan и построенный на родственной архитектуре Audi e-tron GT получили двухступенчатую коробку передач на задней оси. Причина проста: несмотря на широкий диапазон электромотора, идеального передаточного отношения для абсолютно всех условий не существует.
Короткая первая передача позволяет передать на колеса еще больший крутящий момент и улучшить динамику разгона. После набора скорости включается более длинная вторая передача, уменьшающая обороты двигателя. Это дает еще одно преимущество. На очень высоких оборотах эффективность электромотора может снижаться из-за возрастающих электрических и магнитных потерь. Уменьшив обороты при высокой скорости, можно улучшить эффективность силовой установки, а заодно позволить автомобилю двигаться быстрее без необходимости раскручивать двигатель до предела.
Для спортивного электромобиля, которому одновременно нужны максимально быстрый старт и высокая максимальная скорость, такой компромисс имеет смысл.
Почему тогда две передачи не ставят всем?
Потому что бесплатных преимуществ в инженерии практически не бывает. Дополнительная передача означает появление новых шестерен, механизмов переключения, управляющей электроники и других компонентов. Трансмиссия становится тяжелее, дороже и потенциально менее надежной. Особенно сложно создать компактную коробку, способную долго выдерживать огромный крутящий момент электродвигателя, который появляется практически мгновенно.
Для массового электромобиля выигрыш в эффективности или динамике зачастую оказывается слишком небольшим, чтобы оправдать дополнительную сложность. Проще установить один редуктор и подобрать его передаточное отношение так, чтобы автомобиль достаточно быстро разгонялся и одновременно достигал необходимой максимальной скорости.
Именно поэтому одноступенчатая трансмиссия пока остается стандартом для электромобилей.
Может ли коробка передач вернуться?
Теоретически — да. Производители и поставщики автомобильных компонентов продолжают экспериментировать с двухступенчатыми трансмиссиями для электромобилей. Они потенциально способны улучшить эффективность на трассе, увеличить максимальную скорость или позволить использовать более компактный электродвигатель.
Но для массового распространения такая коробка должна давать достаточно заметный выигрыш, чтобы компенсировать дополнительную стоимость, массу и сложность.
Поэтому исчезновение привычной коробки передач — не недостаток электромобилей, а следствие одного из главных преимуществ электродвигателя. Он способен охватить настолько широкий диапазон скоростей и оборотов, что механизму, который десятилетиями был обязательной частью автомобиля, в большинстве случаев просто больше нечего делать.
