Elektromotor és sebességváltó

Az elektromos autók a feje tetejére állították az autók hajtásláncairól alkotott ismereteinket. A belső égésű motoros járműveknél megtanultuk, hogy sorrendben először van a motor, azután a kuplung, majd jön a sebességváltó, végül a tengelyhajtás végáttétele a differenciálművel. A kézi sebességváltók fokozatainak száma hétig, az automatáké egészen tízig emelkedett, de a lényeg, hogy a rendszer nélkülözhetetlen elemeinek tekintettük mindegyiket. Majd megjöttek az elektromos autók, és mint a szappanbuborék, úgy pukkadt szét az egész elmélet. Bennük nincs sem kuplung, sem sebességváltó. Hogyan lehet ez?

Mindezt úgy, hogy a feladat adott, és ugyanaz. Az autót akár telepakoltan, akár emelkedőn felfelé meg kell tudni mozdítani, majd fel kell gyorsítani, másrészt viszont az autónak arra is képesnek kell lennie, hogy viszonylag nagy végsebességet érjen el. A probléma éppen ebben a végletességben rejlik. Az autó megmozdításához, azaz a tapadási ellenállás legyőzéséhez, majd azután a gyorsításhoz arra van szükség, hogy nagy nyomatéktartalék álljon rendelkezésre.  Ideálisnak azt tekintjük, ha ez a nyomatéktartalék a sebesség növekedésével egyre csökken, miközben viszont az ellenállások nőnek. (Ez azért kedvező, mert újabb ellenállás, például emelkedő felmerülésekor ebből a tartalékból lehet fedezni az újabb nyomatékigényt.) A végsebességét éppen akkor éri el az autó, amikor ez a nyomatéktartalék elfogy, és teljes egészében egyedül az ellenállások  legyőzésére fordítódik.

A belső égésű motoros autókhoz éppen az ideális nyomatéktartalék előállításához kell a sebességváltó. A belső égésű motorok csak viszonylag szűk fordulatszám tartományban képesek nyomatékukat leadni, ami a diagramokon ráadásul enyhe dombot, vagy a turbómotoroknál lapos fennsíkot formáz. Az alapjárati fordulatszám alatt egyszerűen lefulladnak, de közvetlen felette sem brillíroznak, a legmagasabb fordulatszám pedig általában nem nagyobb 6000-7000-nél percenként.

Ezért ha váltó nélkül, csak egyetlen fokozattal akarnánk megoldani autónk erőátvitelét, akkor kettős csapdába kerülnénk. Ha olyan áttételt választanánk, hogy ami a végsebességhez kell, akkor el sem tudna indulni, egyből lefulladna. (Ez olyan, mintha csak ötödik, vagy hatodik fokozatunk lenne.) Ha pedig olyat, hogy akár emelkedőn is el tudjon indulni, akkor a végsebessége lenne nagyon kicsi. (Ez pedig körülbelül olyan lenne, mintha, vagy csak az első, vagy csak a második fokozat lenne meg az autóban. De már a második fokozattal is adódnának nehézségeink elinduláskor.)

A sebességváltó éppen ezért elengedhetetlen tartozéka a belső égésű motoros autóknak. Kis fokozatokban nagy az áttétel, ami nagyra növeli azt a rendelkezésre álló nyomatéktartalékot, ami a kerekeken vonóerővé alakul át. Ahogy azután felfelé kapcsolgatunk (vagy kapcsol az automata), az áttétel egyre csökken, és így a nyomatéktartalék is. Éppen úgy, ahogy az autó mozgatásának erőigénye megkívánja.

Az ideális tehát egy olyan erőgép lenne, amelyiknek kis fordulaton nagy a nyomatéka, majd, ahogy a fordulatszám nő, a nyomaték egyre csak csökkenne. Ha találnánk ilyet, ehhez valóban csak egy állandó lassító áttétel kellene (vagy az sem), hiszen a gép nyomatékleadási módja éppen egybeesne az autó erőigényével. És igen, van ilyen gép! Az elektromotor! Már a korai, egyenáramú motorok is ilyenek voltak, ezért nem volt sebességváltó a trolikban és a villamosokban, de ilyenek a modern, elektronikus vezérlésű aszinkron és szinkronmotorok is.

Már álló helyzetben, azaz nulla fordulatnál képesek a csúcsnyomatékukat szolgáltatni, amit egy bizonyos határfordulatszámig (ez körülbelül a maximális fordulatszámuk 12-18 százaléka) képesek fenntartani. A fordulatszám további növekedésével a nyomaték először gyorsabban, majd lassabban csökken. (Körülbelül olyan görbét ír le, mint egy pár méterrel magasabb és egy alacsonyabb pont között lazán felkötött szárítókötél.) Mivel azonban eközben a fordulatszám folyamatosan nő, és a teljesítmény a fordulatszám és a nyomaték szorzatával arányos, ezért a teljesítmény ebben a második fordulatszám-zónában végig azonos marad vagy enyhén ereszkedik. Ez is egy nagy különbség a belső égésű motorokhoz képest, amelyeknél egy adott fokozatban a teljesítmény közelítően a fordulatszámmal együtt nő. Az elektromotornál ellenben minden fordulatszámon a maximumon lehet (ha tövig nyomjuk a gázt), ezért is vág hátba az ülés, bármikor taposunk a gázba.

És ez még nem minden! Eltérően a belső égésű motoroktól az elektromotorok túlterhelhetők. Jó, jó egyes gyártók a turbómotorjaiknál engedélyeznek overboostot, azaz fokozott túltöltést, de legfeljebb pár másodpercig, és a növekmény nem több 10-15 százaléknál. Az elektromotor azonban a tartós teljesítményéhez képest rövid távon akár teljesítménye, vagy nyomatéka megduplázására is képes! Ezen kívül még szokás megkülönböztetni egy egyperces túlterhelést is, ami körülbelül negyedével nagyobb a tartósan kivehető teljesítménynél. A túlterhelésre az elektromotor nem lefulladással, hanem melegedéssel válaszol, a motor hőmérséklete azonban nem érhet el olyan szintet, hogy sérüljenek a szigetelések, vagy meggyengüljenek az állandó mágnesek (az állandó mágneses szinkronmotorokban), vagy pláne megolvadjon valami, mert mindegyik a motor tönkremenetelével egyenlő.

Az elektromotorok további előnye, és korántsem utolsósorban, hogy széles fordulatszámhatárok között pörgethetők. Gyakori a percenkénti 12 000-15 000 közötti maximális fordulat, de akadnak megoldások, ahol 20 000/percig is elmennek. (A versenyautók és a motorkerékpárok belső égésű motorjai képesek hasonlóra, de az más terhelési forma, és persze azoknak is van sebességváltójuk.) A kedvező nyomatékleadási móddal karöltve ez azt jelenti, hogy egy elektromotor egyetlen fokozattal áttételezhető úgy, hogy nulla fordulattól mozdítsa meg az autót, majd az autó a motor legnagyobb fordulatszámánál, mondjuk 12 000/percnél érje el a legnagyobb sebességét.

A tengelyhajtás vágáttételét is beleszámítva ez az áttétel általában egy 10 körüli szám, a Tesla Model S-é például 9,73, de lehet akár 11, vagy kicsivel a fölötti is. (Persze differenciálmű azért van, de az nem módosítja a fordulatszámot. Ami azt teszi, az a végáttétel.) Ez azt jelenti, hogy a kerék fordulatszáma körülbelül tizedannyi, mint éppen akkor a motoré, a kerékre jutó nyomaték viszont tízszer akkora, mint amennyit éppen azon a fordulatszámon a motor lead.

Tehát ha például 10-es áttétel mellett a motorunk épp 6000/perces fordulattal forog, akkor a kerék fordulatszáma 600/perc lesz. Ebből egyébként a sebesség is könnyen kikalkulálható. Átlagos, két méter kerületű kerékkel (például 195/65 R 16) a sebesség ennél a fordulatszámnál 72 km/h. Ha a motor maximális fordulatszáma pedig például 12 000/perc, akkor az autó végsebessége 144 km/h. Másrészt, ha a példaként felhozott 6000/perces fordulatszámnál a motor nyomatéka 100 Nm, akkor a hajtott kerekekre éppen akkor ennek tízszerese, azaz 1000 Nm jut.

Ha ehhez még hozzávesszük, hogy a hétköznapi használatra szánt elektromos autók legnagyobb sebessége a túlzott fogyasztás elkerülése érdekében általában nem nagyobb 150-160 km/óránál, máris láthatjuk, miért nem szüksége sebességváltót szerelni az elektromos autókba. Az elektromotor a 0-tól a maximálisig terjedő használható fordulatszám-tartományával, valamint az ideálist követő nyomatékleadási módjával minden helyzetet képes megoldani. És ez valóban könnyebbség, hiszen a bármilyen kuplung és sebességváltó beépítése csak bonyolultabbá tenné a felépítést, növelné a költségeket és a karbantartási igényt, és csökkenthetné a megbízhatóságot.

Csakhogy esetenként nem elégszünk meg azzal, amit állandó áttétellel egy villanymotor nyújtani tud. Ilyen eset például, ha ki akarunk lépni ebből a komfortzónából, például emelni szeretnénk a végsebességet. Tulajdonképpen ez is megoldható állandó áttétellel, például úgy, ha nagyobb fordulatszámra képes motort építünk be. (Ezért lenne mindig nagyon fontos tudni, hogy az adott autóba épített elektromotornak mekkora a maximális fordulatszáma.) Ha 15 000/perces maximális fordulatú motor helyett 20 000/percest építünk be, máris harmadával növelhetjük a végsebességet (persze a motornak teljesítménnyel is bírnia kell), példánkat folytatva 180 km/óráról 240 km/órára. Egy másik lehetőség nagyobb nyomatékú motor és kisebb áttétel választása lehet.

Van azonban egy harmadik út is. Igen, egy sebességváltó beépítése. (Természetesen automatikus kapcsolással.) Ebben az esetben akár ugyanazzal a motorral elérhető nagyobb végsebesség, de még az is megtörténhet, hogy kisebb nyomatékú és méretű motorral tudjuk lefedni a teljes sebességtartományt. És ehhez elég csupán két fokozat. Az első, nagyobb áttételű fokozat a kerékre jutó nyomatékot növeli, ami jó indítási és gyorsítási képességeket tesz lehetővé, míg a második, kisebb áttételű fokozat a végsebesség elérését teszi lehetővé.

Sebességváltó alkalmazásával ha kismértékben is, de a fogyasztás is csökkenthető. A villanymotorok hatásfoka általában jó (legalábbis a belső égésű motorokéval összehasonlítva), de azért így is akadnak különbségek. A legtöbb motor közepes fordulatszámnál és közepes nyomatékigénynél nyújtja hatásfoka maximumát, ami bőven meghaladhatja a 90 százalékot. Ebből kilépve azonban a hatásfok csökken, egyes elektromotor típusoknál szélsőséges viszonyok között akár 70 százalék alá is eshet. Sebességváltóval megoldható, hogy a motor többet tartózkodjon az jó hatásfokú mezőben, és így csökkenjen a fogyasztás, egyúttal növekedjen az elérhető hatótávolság.

A sebességváltók használatának egy további előnyére a Formula E elektromos versenyautók mutatnak példát, amelyeknél általánosan elterjedt a sebességváltók alkalmazása. Ráadásul ezeknél a váltóknál nem is állnak meg két fokozatnál, három, négy, sőt, öt fokozatra is akad példa. A Formula E autóknál is egyrészt a motor fordulatszám tartományát és az autótól elvárt sebességtartományt hozzák fedésbe a sebességváltóval, másrészt viszont a visszatáplálás hatékonyságát növelik alkalmazásával. Lassításkor és elektromos fékezéskor általában visszaváltanak egy, vagy akár két fokozatot azért, hogy a generátor üzemre kapcsolt elektromotor felpörgetésével minél több áram termelődjön vissza az akkumulátorba. Nagyobb fordulatszámon ugyanis jobb a töltés hatásfoka. (Utcai használatra szánt, állandó áttételű elektromos autóknál ezért építenek be ritkán 100 kW alatti teljesítményű villanymotort, mert azok kevés áramot termelnének vissza. A visszatáplálás hatékonyságának növelésére ez a másik út: nagyobb elektromotort beépíteni.)

Több út áll tehát a konstruktőrök előtt, hogy melyiket választják, azt az elvárások (hétköznapi használat, vagy sport, vagy más), a lehetőségek (milyen elektromotor áll rendelkezésre), és természetesen a költségek határozzák meg. A sebességváltó alkalmazásában rejlenek lehetőségek, de következményekkel is jár, amit minden gyártónak mérlegelnie kell. Korábban több beszállító cég is készített ilyen tanulmányt, de utcai használatba kevés került, az is leginkább sportautókon. A legismertebb példa a Porsche Taycan és a vele azonos technikát használó Audi e-tron GT quattro.

Érdekes módon, elterjedtebb a sebességváltó és elektromotor együttműködése a különböző hibrid autókban. Emögött persze gyakran konstrukciós meggondolások állnak, mint például a BMW, a Mercedes, vagy a VW konszern kívülről tölthető hibridjeinél. Ezek többségénél ugyanis az elektromotor a belső égésű motor és a sebességváltó között helyezkedik el, egy kuplunggal leválaszthatóan a belső égésű motortól és szilárd kapcsolattal a sebességváltó felé. A megoldás előnye, hogy viszonylag kis méretű, kis nyomatékú és szűk fordulatszám tartományú elektromotort lehet beépíteni, hiszen az utána lévő, akár tízfokozatú automata sebességváltó az áttételezése révén mindig beállíthatja a hajtási helyzet által megkívánt nyomatékértéket.

A Toyota konszern a hibridjeibe fokozatmentes elektromos erőátvitelt szerel, de nem teljesen azonos megoldással. A Toyotákban (Prius, Yaris, Corolla, CH-R) nincs sebességváltó, aminek az a következménye, hogy autópályatempónál és azt meghaladó sebességnél nagy fordulatszámon pörög a benzinmotor, ami korábban kellemetlen hanghatást okozott. A Lexusok többségében azonban van váltó, amivel egyrészt nagy sebességnél ejteni tudják a benzinmotor fordulatszámát, másrészt a hajtó elektromotor is jobban illeszthető a pillanatnyi hajtási igényekhez. Az LC hibridváltozatával bevezetett Multi Stage Hybrid System rendszer esetében odáig mentek, hogy az ismert alapkonstrukciójú hibrid rendszert négyfokozatú automataváltó egészíti ki.

Szintén találunk váltót a Renault E-Tech hibrid rendszerében az elektromotor mellett. A Clióban a villanymotor-generátor teljesítménye csupán 36 kW, de a konnektorról tölthető Capturben és Mégane-ban sem több 49 kW-nál, azaz mindkettő viszonylag kicsi. Mindkét megoldásnál kétfokozatú – de kuplung nélküli – sebességváltót építenek be azért, hogy a fordulatszám-lefedettség, a nyomaték és a hatásfok is a lehető legjobb legyen.

Hétköznapi használatra szánt elektromos autókban jelenleg sincs és várhatóan a jövőben sem alkalmaznak majd sebességváltót, elsősorban valószínűleg költségek és a vételár csökkentése miatt. Ne felejtsük el azonban a többi hátrányt sem: mert bonyolultabbá teszi a szerkezetet, növelheti a karbantartásigényt, és csökkentheti a megbízhatóságot. Nagy teljesítményű, sportos autóknál azonban megérheti beépíteni őket, mint ahogy erre már most is akad példa. Teljesen elképzelhető például, hogy a Kia nemrég bemutatott EV6 nevű elektromos autójának 260 km/órás végsebességre képes GT változatának hajtásában is találunk sebességváltót. Csak ezt még titkolja a gyár.