Przekładnie silników elektrycznych: przewodnik dotyczący projektowania, wyboru i konserwacji

Co właściwie łączy przekładnia silnika elektrycznego

An skrzynia biegów z silnikiem elektrycznym integruje w jednej obudowie trzy funkcje, które wcześniej wymagały oddzielnych komponentów: elektryczny silnik napędowy, przekładnię redukcyjną i mechanizm różnicowy rozdzielający moc pomiędzy dwa koła napędowe. W konwencjonalnym pojeździe benzynowym silnik, skrzynia biegów i mechanizm różnicowy osi są zazwyczaj odrębnymi zespołami połączonymi wałami napędowymi. W pojeździe elektrycznym zbudowanym wokół mostu pędnego wszystko to mieści się w jednym kompaktowym urządzeniu zamontowanym bezpośrednio na osi, dlatego też projekt ten stał się domyślną architekturą dla większości samochodów elektrycznych, wielu pojazdów hybrydowych oraz rosnącej liczby elektrycznych wózków golfowych, wózków widłowych i lekkich pojazdów użytkowych.

Ta konsolidacja ma znaczenie, ponieważ silniki elektryczne zachowują się zupełnie inaczej niż silniki spalinowe. Silnik elektryczny wytwarza pełny moment obrotowy niemal natychmiast po zatrzymaniu i może bezpiecznie obracać się przy znacznie wyższych obrotach niż silnik tłokowy, co oznacza, że ​​przekładnia potrzebna do przełożenia mocy silnika na użyteczną prędkość koła i moment obrotowy wygląda zupełnie inaczej niż tradycyjna wielobiegowa skrzynia biegów. Większość elektrycznych mostów pędnych wykorzystuje jedno stałe przełożenie zamiast wielu biegów do wyboru, ponieważ szeroki zakres momentu obrotowego silnika sprawia, że ​​zmiana biegów jest w dużej mierze zbędna w codziennej jeździe.

Podstawowe elementy wewnątrz obudowy

Otwarcie typowej elektrycznej skrzyni biegów ukazuje dość kompaktowy zestaw części współpracujących we wspólnej obudowie. Silnik elektryczny znajduje się na jednym końcu i zwykle jest to silnik synchroniczny z magnesami trwałymi lub silnik indukcyjny, w zależności od priorytetów projektowych producenta dotyczących wydajności, kosztów i dużej prędkości. Do wału wyjściowego silnika przymocowany jest zestaw przekładni redukcyjnej, najczęściej dwu- lub trzystopniowy przekładnia śrubowa, chociaż w niektórych konstrukcjach zastosowano przekładnie planetarne w celu uzyskania bardziej kompaktowych rozmiarów.

Z przekładni redukcyjnej moc przepływa do otwartego lub o ograniczonym poślizgu mechanizmu różnicowego, który umożliwia obracanie się dwóch kół napędowych z różnymi prędkościami podczas pokonywania zakrętów, jednocześnie otrzymując moc z pojedynczego silnika. Całość otacza układ smarowania, zwykle rozbryzgowy lub niskociśnieniowy, zasilany pompą, wykorzystujący specjalny płyn do mostu pędnego opracowany tak, aby zapewniał zarówno smarowanie przekładni, jak i, w wielu konstrukcjach, także pewien stopień chłodzenia silnika.

Główne podsystemy, które należy znać

• Elektryczny silnik napędowy, z magnesami trwałymi lub typu indukcyjnego
• Przekładnia redukcyjna o stałym przełożeniu, zazwyczaj śrubowa lub planetarna
• Mechanizm różnicowy otwarty lub o ograniczonym poślizgu
• Zintegrowany obwód smarowania i chłodzenia
• Uszczelnione zespoły łożyskowe podtrzymujące wał silnika i wyjściowy

Konstrukcja jednobiegowa i dlaczego rzadko potrzeba wielu biegów

Jednym z najczęstszych pytań zadawanych przez osoby przesiadające się z pojazdów spalinowych jest to, dlaczego elektryczne skrzynie biegów prawie nigdy nie są wyposażone w przekładnię wielobiegową. Odpowiedź leży w kształcie krzywych momentu obrotowego i mocy silnika elektrycznego. Silnik benzynowy wytwarza wysoki moment obrotowy jedynie w wąskim zakresie obrotów, dlatego istnieje wiele biegów, które zapewniają pracę silnika w optymalnym zakresie w szerokim zakresie prędkości pojazdu. Z kolei silniki elektryczne zapewniają niemal maksymalny moment obrotowy już od zerowych obrotów na minutę i utrzymują użyteczną moc wyjściową w znacznie szerszym zakresie prędkości, często do 15 000, a w niektórych konstrukcjach nawet 20 000 obr./min.

Z tego powodu pojedyncze, starannie dobrane przełożenie może zapewnić akceptowalne osiągi od startu zatrzymanego aż do prędkości autostradowych bez dodatkowej masy, kosztów i mechanicznej złożoności mechanizmów zmiany biegów. W niewielkiej liczbie pojazdów elektrycznych o wysokich osiągach stosuje się dwubiegowe skrzynie biegów, aby poprawić przyspieszenie przy niskich obrotach lub wydajność przy dużych prędkościach, ale pozostaje to raczej wyjątkiem niż regułą na szerszym rynku.

Wybór właściwej skrzyni biegów do zastosowania w pojeździe

Wybór przekładni z silnikiem elektrycznym do nowego projektu pojazdu lub projektu konwersji wymaga dopasowania kilku specyfikacji do zamierzonego przypadku użycia, a nie po prostu wybrania dostępnej opcji o największej mocy. W przypadku długotrwałych zastosowań, takich jak jazda po autostradzie lub holowanie, ciągła moc znamionowa ma większe znaczenie niż moc szczytowa, ponieważ most pędny, który może utrzymać swoją moc znamionową tylko przez kilka sekund, zanim wystąpi dławienie termiczne, rozczaruje w rzeczywistym użytkowaniu, nawet jeśli jej wartość szczytowa wygląda imponująco na papierze.

Wybór przełożenia powinien opierać się na docelowej prędkości maksymalnej i pożądanej charakterystyce przyspieszenia, ponieważ krótsze przełożenie przekładni głównej poprawia przyspieszenie i zdolność pokonywania wzniesień kosztem niższej prędkości maksymalnej i nieco zmniejszonej wydajności na autostradzie, podczas gdy wyższe przełożenie działa odwrotnie. Kupujący powinni również potwierdzić, że typ mechanizmu różnicowego odpowiada ich zastosowaniu; otwarty mechanizm różnicowy jest odpowiedni do typowego użytku pasażerów, ale pojazdy wyczynowe lub do zastosowań terenowych korzystają z mechanizmu różnicowego o ograniczonym poślizgu lub elektronicznie sterowanego mechanizmu różnicowego, który lepiej zarządza dostarczaniem mocy, gdy jedno koło traci przyczepność.

Kluczowe specyfikacje do porównania

Strategie chłodzenia i ich wpływ na niezawodność

Zarządzanie ciepłem wewnątrz elektrycznej skrzyni biegów bezpośrednio wpływa zarówno na spójność wydajności, jak i długoterminową niezawodność. Konstrukcje chłodzone powietrzem, powszechne w zastosowaniach o niższej mocy, takich jak wózki golfowe i lekkie pojazdy użytkowe, opierają się na przepływie powietrza przez obudowy żebrowane oraz są proste i łatwe w utrzymaniu, ale mają ograniczoną ilość trwałej mocy, którą mogą rozproszyć, zanim wydajność spadnie. Konstrukcje chłodzone cieczą zapewniają cyrkulację chłodziwa przez kanały otaczające stojan silnika, a czasami przez samą obudowę przekładni, umożliwiając ciągłą pracę z dużą mocą bez dławienia termicznego, które jest plagą dla jednostek chłodzonych powietrzem przy dużych lub długotrwałych obciążeniach.

W niektórych przekładniach o wyższej wydajności zastosowano chłodzenie olejem, w którym krąży ten sam płyn, który jest używany do smarowania przekładni bezpośrednio przez uzwojenia silnika lub wokół nich, co zapewnia efektywne przenoszenie ciepła, ale wymaga ostrożnego doboru płynu, ponieważ olej musi jednocześnie spełniać zarówno wymagania dotyczące izolacji elektrycznej silnika, jak i wymagania dotyczące smarowania pod wysokim ciśnieniem przekładni zębatej. Nabywcy oceniający mosty pędne pod kątem wymagających zastosowań, takich jak komercyjne pojazdy dostawcze lub pojazdy wyczynowe, powinni w szczególności zapytać o stałą moc znamionową w realistycznych temperaturach roboczych, a nie polegać wyłącznie na wartościach szczytowych zimnego rozruchu z arkusza specyfikacji.

Uwagi dotyczące instalacji w przypadku konwersji i nowych kompilacji

Dla inżynierów pracujących nad konwersją pojazdów elektrycznych lub niestandardowymi konstrukcjami pojazdów o małej objętości montaż elektrycznej skrzyni biegów wymaga zwrócenia uwagi na kilka szczegółów, a nie tylko prostego przykręcenia jej na miejsce. Punkty mocowania muszą być zaprojektowane tak, aby wytrzymać natychmiastowe przekazywanie momentu obrotowego przez silnik elektryczny, co może powodować większe obciążenia szczytowe na mocowaniach niż w porównywalnym silniku benzynowym, który wytwarza moment obrotowy bardziej stopniowo. Sztywne lub źle zaprojektowane mocowania mogą przenosić nadmierne wibracje i hałas do kabiny, dlatego wielu producentów wybiera mocowania hydrauliczne lub elastomerowe dostosowane specjalnie do charakterystyki elektrycznego układu napędowego.

Dobór półosi również zasługuje na szczególną uwagę, ponieważ przeguby homokinetyczne łączące most pędny z piastami kół muszą być przystosowane do chwilowych skoków momentu obrotowego, jakie może dostarczyć silnik elektryczny, szczególnie podczas agresywnego przyspieszania z zatrzymania. Używanie półosi przystosowanych tylko do średniego momentu obrotowego, a nie do maksymalnego momentu obrotowego, jest częstą przyczyną przedwczesnej awarii przegubów homokinetycznych w pojazdach przerobionych.

Lista kontrolna przed ostateczną instalacją

• Upewnij się, że punkty mocowania są przystosowane do natychmiastowego dostarczania momentu obrotowego, a nie tylko ciężaru statycznego
• Sprawdź, czy moment obrotowy półosi przekracza szczytową moc wyjściową mostu pędnego
• Sprawdź poprowadzenie przewodu płynu chłodzącego pod kątem załamań lub nadmiernego promienia zgięcia
• Upewnić się, że okablowanie czujnika położenia silnika jest ekranowane przed zakłóceniami przewodów wysokiego napięcia
• Potwierdź, że poziom i typ napełnienia płynem dokładnie odpowiadają specyfikacjom producenta

Praktyki konserwacyjne wydłużające żywotność

Elektryczne mosty pędne wymagają znacznie mniej rutynowej konserwacji niż tradycyjna kombinacja silnika i skrzyni biegów, ale nie są całkowicie bezobsługowe. Olej przekładniowy należy sprawdzać i wymieniać zgodnie z harmonogramem producenta, ponieważ nawet w uszczelnionym układzie z biegiem czasu mogą gromadzić się cząstki metalu powstałe w wyniku normalnego zużycia przekładni, a zużyty płyn traci swoje właściwości chroniące zarówno przekładnie, jak i, w konstrukcjach chłodzonych olejem, same uzwojenia silnika.

Układy chłodzenia w mostach pędnych chłodzonych cieczą wymagają okresowych kontroli pod kątem wycieków, prawidłowego stężenia płynu chłodzącego i czystego przepływu powietrza przez odpowiednią chłodnicę, ponieważ układ chłodzenia, który po cichu traci skuteczność, może prowadzić do stopniowej degradacji silnika na długo przed wystąpieniem jakiejkolwiek dramatycznej awarii. Uszczelnienia łożysk należy również okresowo sprawdzać pod kątem oznak wycieków, ponieważ uszkodzone uszczelnienie, umożliwiające wyciek oleju przekładniowego lub przedostanie się zanieczyszczeń, może szybko doprowadzić do przyspieszonego zużycia całego zespołu.

Właściciele i menedżerowie flot powinni prowadzić prosty dziennik konserwacji, rejestrując wymiany płynów, uzupełnienia płynu chłodzącego oraz wszelkie nietypowe hałasy i wibracje zgłaszane przez kierowców, ponieważ problemy z elektryczną skrzynią biegów często objawiają się subtelnymi zmianami w dźwięku lub płynności pracy na długo przed wystąpieniem katastrofalnej awarii. Wyłapanie tych wczesnych objawów podczas rutynowych okresów międzyobsługowych jest znacznie mniej kosztowne niż wymiana uszkodzonego urządzenia po całkowitej awarii.

Dopasowanie mostu pędnego do konkretnego przypadku użycia

Ostatecznie wybór najlepszej przekładni z silnikiem elektrycznym dla danego projektu zależy od dopasowania ciągłej mocy, momentu obrotowego, przełożenia skrzyni biegów i wydajności chłodzenia do rzeczywistych wymagań danego pojazdu, a nie od pogoni za najwyższą dostępną mocą szczytową. Pojazd użytkowy lub wózek golfowy o niskiej prędkości wykorzystuje prostą, chłodzoną powietrzem jednostkę o małej mocy, która minimalizuje koszty i złożoność, podczas gdy komercyjny pojazd dostawczy lub konstrukcja zorientowana na osiągi wymaga jednostki chłodzonej cieczą o stałej mocy znamionowej, która odzwierciedla rzeczywiste warunki pracy, a nie krótkie szczyty na stanowisku testowym.

Nabywcy i inżynierowie powinni zażądać pełnych arkuszy danych obejmujących moc ciągłą i szczytową, krzywe momentu obrotowego w całym zakresie obrotów, specyfikacje mechanizmu różnicowego i szczegóły układu chłodzenia przed dokonaniem zakupu konkretnej mostu pędnego i powinni porównać te dane bezpośrednio z wymaganiami zamierzonego zastosowania, a nie polegać wyłącznie na podsumowaniach marketingowych.