Engrenagens de redução e transmissões de veículos elétricos
A maioria dos veículos elétricos anunciados com uma “transmissão de uma marcha” ainda contém engrenagens. Uma redução fixa converte a alta rotação do motor em menor rotação das rodas e maior torque nas rodas; somente uma verdadeira transmissão direta ou uma configuração com motores nas rodas pode dispensar esse estágio de redução.
Por que um veículo elétrico precisa de redução
Os motores de tração podem operar a muitos milhares de rotações por minuto, enquanto uma roda em contato com a via gira muito mais devagar. Uma relação de redução permite que um motor compacto de alta rotação trabalhe em uma região útil do seu mapa de rotação e eficiência.
Desconsiderando a deformação dos pneus, a ação do diferencial e as perdas:
torque nas rodas ≈ torque do motor × relação de redução × eficiência do trem de força
Portanto, uma redução de 9:1 multiplica o torque no eixo por um pouco menos de nove depois das perdas mecânicas. Isso também significa que o motor gira cerca de nove vezes para cada volta da roda. A redução não cria potência; ela troca rotação por torque.
Reduções fixas de uma marcha
A solução padrão nos automóveis elétricos é uma relação fixa para cada eixo motriz. O trem de engrenagens pode usar um ou dois estágios de redução com engrenagens helicoidais ou de dentes retos, um estágio planetário ou uma combinação. O motor pode ficar coaxial ao eixo ou paralelo a ele, alterando o número de eixos, as cargas nos rolamentos, o formato do conjunto e a geometria das engrenagens.
Uma relação fixa evita atuadores de troca de marcha e interrupções do torque. Os motores elétricos podem partir da imobilidade, inverter eletricamente o sentido de rotação e operar em uma ampla faixa de torque constante e potência constante. Por isso, a maioria dos veículos elétricos não precisa das muitas relações usadas para manter um motor a combustão próximo de uma estreita faixa de rotação eficiente.
“Uma marcha” descreve o número de relações selecionáveis, não o número de engrenamentos. Um redutor fixo de dois estágios ainda pode ser uma transmissão de uma marcha.
Escolha da relação
Uma relação de redução total mais curta — numericamente maior — aumenta o torque nas rodas na arrancada e em subidas, mas faz o motor girar mais rápido em todas as velocidades do veículo. A rotação máxima do motor pode então limitar a velocidade máxima do veículo, enquanto uma frequência elétrica elevada pode aumentar as perdas no ferro, no inversor e nos rolamentos, além das perdas por arrasto aerodinâmico interno.
Uma relação mais longa reduz a rotação do motor em uma determinada velocidade do veículo e pode elevar a velocidade máxima, mas exige mais torque do motor e mais corrente para produzir a mesma força nas rodas. Isso pode aumentar as perdas no cobre e no inversor e pode exigir um motor maior.
Os engenheiros escolhem a relação em conjunto com o raio de rolamento dos pneus, a massa do veículo, a capacidade de subida, a meta de reboque, a velocidade máxima, a curva de torque e rotação do motor, o mapa de eficiência, a tensão, a corrente do inversor, o arrefecimento e o ruído. Alterar o diâmetro da roda ou do pneu também muda a relação efetiva com a via.
O diferencial
Um diferencial aberto convencional permite que as rodas esquerda e direita girem em velocidades diferentes em uma curva, enquanto transmite torque praticamente igual por meio de suas engrenagens laterais. Ele não garante potência igual e, quando uma roda tem pouquíssima aderência, o mesmo torque nos semieixos pode limitar a força de tração útil.
Um diferencial de deslizamento limitado ou controlado eletronicamente pode distribuir mecanicamente o torque de forma desigual. O controle de tração baseado nos freios pode desacelerar uma roda que está patinando. Um eixo com dois motores independentes pode controlar eletricamente o torque do lado esquerdo e do lado direito, mas ainda precisa de engrenagens redutoras e pode usar caminhos de redução final separados.
Transmissões de várias marchas para veículos elétricos
Uma segunda relação selecionável pode combinar uma marcha curta para a arrancada com outra mais longa para altas velocidades. Os possíveis benefícios são maior torque nas rodas sem um motor superdimensionado, uma faixa de velocidade máxima mais ampla e a capacidade de deslocar os pontos de operação para uma região mais eficiente do mapa do motor.
O Porsche Taycan é um exemplo de produção. Seu eixo traseiro usa uma primeira marcha curta para o desempenho na arrancada e uma segunda mais longa para eficiência e reserva de potência em alta velocidade, enquanto o eixo dianteiro usa uma redução fixa de uma marcha.
A segunda relação também acrescenta engrenagens, rolamentos, embreagens ou acoplamentos de garras, um atuador, controles, maior necessidade de lubrificação, massa, custo, calibração das trocas e uma possível interrupção do torque. Um motor com uma faixa de rotações mais ampla e uma única relação fixa pode proporcionar melhores custos e eficiência no nível do veículo. É por isso que as transmissões de várias marchas continuam sendo a exceção, e não a regra, nos automóveis elétricos.
Desacoplamentos e unidades de propulsão com vários motores
Um veículo elétrico com tração integral pode carregar um motor secundário inativo durante a condução em velocidade constante. Uma embreagem de desacoplamento pode separar esse motor e parte do seu trem de engrenagens das rodas, reduzindo as perdas eletromagnéticas e as perdas nos rolamentos e retentores e pela agitação do óleo. A contrapartida é a complexidade do atuador, o tempo de acoplamento, a massa e mais um mecanismo crítico para a durabilidade.
Um motor de indução muitas vezes pode ser desenergizado com baixo arrasto eletromagnético, reduzindo a necessidade de um desacoplamento mecânico. Um motor de ímãs permanentes continua criando fluxo no rotor, mas um controle cuidadoso do inversor e um projeto de engrenagens com baixas perdas ainda podem tornar prática a operação com torque nulo.
Eficiência, lubrificação e ruído
As perdas nas engrenagens vêm do deslizamento e rolamento dos dentes, dos rolamentos, dos retentores, da agitação do óleo, das bombas e do movimento do diferencial. A eficiência varia com a velocidade, o torque, a temperatura e o nível do óleo, o acabamento dos dentes, a pré-carga dos rolamentos e o método de lubrificação. A eficiência máxima anunciada para uma caixa de transmissão não representa as perdas ao longo de um ciclo completo de condução.
A alta rotação do motor leva as frequências de engrenamento para faixas acusticamente sensíveis. A microgeometria dos dentes, a escolha da relação, a rigidez dos eixos e da carcaça, o apoio dos rolamentos, o balanceamento do rotor e os harmônicos do inversor afetam o ruído agudo ouvido na cabine. Uma engrenagem mais silenciosa pode exigir uma concessão na tensão de contato, no custo de fabricação ou na eficiência.
O óleo deve proteger os dentes e os rolamentos sem causar agitação excessiva. Algumas unidades de propulsão integradas usam uma bomba elétrica e uma estratégia de cárter seco para fornecer óleo onde ele é necessário sem deixar as engrenagens giratórias profundamente imersas.
Como interpretar as alegações de torque
O torque do motor é medido antes da redução; o torque no eixo ou nas rodas é medido depois dela. Multiplicar o torque do motor por uma relação de engrenagens elevada produz um número alto de torque nas rodas, mas a potência e a aceleração continuam limitadas pela rotação do motor, pela potência da bateria, pelos limites do inversor, pela aderência dos pneus, pela massa do veículo e pelas perdas.
Verifique o ponto de medição, se o valor é de pico ou contínuo, se abrange um eixo ou o veículo completo e se a relação muda entre as marchas. Sem esses detalhes, os valores de torque de diferentes veículos elétricos não são diretamente comparáveis.
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