Skrzynia biegów w elektryku? Rozwiewamy mity o napędzie EV.

Ten artykuł wyjaśnia, czy samochody elektryczne posiadają skrzynię biegów, rozwiewając powszechne wątpliwości i tłumacząc fundamentalne różnice w budowie układu napędowego między pojazdami elektrycznymi a spalinowymi, co jest kluczowe dla zrozumienia ich działania.

Krótka odpowiedź brzmi: nie, ale to bardziej skomplikowane

Zacznijmy od sedna: większość samochodów elektrycznych nie posiada tradycyjnej, wielobiegowej skrzyni biegów, jaką znamy z aut spalinowych. To jedna z fundamentalnych różnic w ich konstrukcji, która często zaskakuje kierowców przesiadających się na "elektryki". Zamiast skomplikowanego mechanizmu z wieloma przełożeniami, w pojazdach elektrycznych stosuje się zazwyczaj znacznie prostsze rozwiązanie jednobiegową przekładnię stałą, nazywaną reduktorem. Jednak, jak to często bywa w motoryzacji, odpowiedź nie jest w stu procentach jednoznaczna. Istnieją bowiem pewne wyjątki od tej reguły, o których opowiem w dalszej części artykułu, a które wynikają ze specyfiki działania silników elektrycznych i dążenia do optymalizacji osiągów.

Czym zastąpiono tradycyjną skrzynię w aucie na prąd?

W samochodzie elektrycznym tradycyjną, wielobiegową skrzynię biegów zastąpiono, jak wspomniałem, jednobiegową przekładnią redukcyjną. Jej rola jest kluczowa, choć znacznie prostsza niż w przypadku skrzyni w aucie spalinowym. Nie ma tu potrzeby żonglowania przełożeniami, aby utrzymać silnik w optymalnym zakresie obrotów. Przekładnia redukcyjna pełni funkcję mostu między silnikiem elektrycznym a kołami, dostosowując jego wysokie obroty do prędkości, z jaką porusza się pojazd. To właśnie dzięki niej moc generowana przez silnik elektryczny jest efektywnie przenoszona na drogę, umożliwiając płynne i dynamiczne przyspieszanie.

Rola i zasada działania jednobiegowej przekładni (reduktora)

Głównym zadaniem reduktora w samochodzie elektrycznym jest zmniejszenie bardzo wysokiej prędkości obrotowej silnika elektrycznego do poziomu użytecznego dla kół. Silniki elektryczne potrafią kręcić się z prędkościami rzędu 15 000, a nawet 20 000 obrotów na minutę, co jest znacznie więcej niż w przypadku większości silników spalinowych. Bez reduktora koła obracałyby się zbyt szybko, a samochód nie miałby wystarczającego momentu obrotowego do efektywnego ruszania czy przyspieszania. Typowe przełożenie w takiej jednobiegowej przekładni wynosi od 8:1 do 10:1. Oznacza to, że na każde 8 do 10 obrotów wału silnika elektrycznego przypada jeden pełny obrót kół napędowych. Dodatkowo, reduktor często integruje w sobie funkcję mechanizmu różnicowego, który jest niezbędny do tego, aby koła na tej samej osi mogły obracać się z różnymi prędkościami, na przykład podczas pokonywania zakrętów. To sprawia, że cała konstrukcja jest niezwykle kompaktowa i efektywna.

Jak napęd elektryczny zmienia potrzebę zmiany biegów?

Aby w pełni zrozumieć, dlaczego większość "elektryków" obywa się bez wielobiegowej skrzyni, musimy przyjrzeć się sercu każdego pojazdu jego silnikowi. Różnice między jednostką elektryczną a spalinową są tu fundamentalne i to właśnie one determinują odmienną konstrukcję układu napędowego.

Charakterystyka silnika elektrycznego: potęga od samego startu

Kluczową cechą silnika elektrycznego jest jego zdolność do generowania maksymalnego momentu obrotowego już od zerowej prędkości obrotowej. Oznacza to, że gdy tylko naciśniemy pedał przyspieszenia, dostępna jest pełna moc, co przekłada się na natychmiastowe i bardzo dynamiczne przyspieszenie. Co więcej, silniki elektryczne utrzymują ten wysoki moment obrotowy w bardzo szerokim zakresie obrotów, często osiągając nawet 20 000 obrotów na minutę. To zupełnie inna charakterystyka niż w przypadku silników spalinowych, które potrzebują czasu na "rozkręcenie się" i osiągnięcie optymalnego zakresu obrotów, w którym generują największą moc i moment obrotowy.

Porównanie krzywej momentu obrotowego: silnik spalinowy kontra elektryczny

Wyobraźmy sobie krzywe momentu obrotowego. W silniku spalinowym jest ona zazwyczaj "garbata" moment obrotowy rośnie wraz z obrotami, osiąga szczyt w stosunkowo wąskim zakresie (np. 2000-4000 obr./min), a następnie zaczyna spadać. To właśnie dlatego potrzebujemy skrzyni biegów, aby zmieniać przełożenia i utrzymywać silnik w tym optymalnym zakresie pracy, niezależnie od prędkości pojazdu. Inaczej jest w silniku elektrycznym. Jego krzywa momentu obrotowego jest znacznie bardziej płaska i rozciągnięta. Maksymalny moment obrotowy jest dostępny praktycznie od startu i utrzymuje się na wysokim poziomie w szerokim zakresie obrotów. Ta cecha eliminuje potrzebę ciągłego dopasowywania przełożenia, ponieważ silnik elektryczny jest efektywny niemal w każdej sytuacji.

Jak szeroki zakres obrotów "elektryka" eliminuje potrzebę wielu przełożeń?

Podsumowując, unikalna charakterystyka silnika elektrycznego jego wysokie obroty i przede wszystkim szeroki, płaski zakres dostępnego momentu obrotowego sprawia, że wielobiegowa skrzynia biegów staje się po prostu zbędna. Silnik elektryczny jest w stanie zapewnić wystarczającą siłę napędową zarówno przy ruszaniu, jak i przy wysokich prędkościach, bez konieczności zmiany przełożeń. To upraszcza konstrukcję, zmniejsza wagę, redukuje koszty produkcji i serwisowania, a także poprawia niezawodność. Dla mnie to jedna z największych zalet napędu elektrycznego prostota, która przekłada się na efektywność.

Jak samochód elektryczny rusza do tyłu?

Kolejnym aspektem, który często budzi pytania, jest kwestia biegu wstecznego. Skoro nie ma tradycyjnej skrzyni biegów, to jak "elektryk" cofa?

Magia odwróconych obrotów, czyli brak mechanicznego biegu wstecznego

W samochodach elektrycznych nie znajdziemy mechanicznego biegu wstecznego w sensie dodatkowego zestawu kół zębatych, jak w autach spalinowych. Rozwiązanie jest znacznie bardziej eleganckie i technologicznie zaawansowane. Jazda do tyłu realizowana jest poprzez odwrócenie kierunku obrotów silnika elektrycznego. Osiąga się to po prostu przez zmianę kierunku przepływu prądu (odwrócenie polaryzacji) w uzwojeniach silnika. System sterowania silnikiem błyskawicznie zmienia fazy zasilania, co powoduje, że wirnik zaczyna obracać się w przeciwną stronę. To genialnie proste i efektywne rozwiązanie, które eliminuje potrzebę dodatkowych, skomplikowanych elementów mechanicznych, a kierowca odczuwa to jako płynne i natychmiastowe włączenie "wstecznego" biegu.

Wyjątki od reguły: które auta elektryczne mają więcej niż jeden bieg?

Choć większość samochodów elektrycznych stawia na prostotę jednobiegowej przekładni, istnieją modele, które idą pod prąd, wprowadzając więcej niż jedno przełożenie. Dlaczego? Odpowiedź leży w dążeniu do maksymalizacji osiągów i wydajności w specyficznych warunkach.

Porsche Taycan i Audi e-tron GT: po co sportowym modelom dwa biegi?

Najbardziej znanymi przykładami, które łamią regułę jednobiegowej przekładni, są sportowe modele EV, takie jak Porsche Taycan i jego bliski krewniak, Audi e-tron GT. Te samochody są wyposażone w dwubiegową skrzynię biegów na tylnej osi. Po co im to? Pierwszy, krótszy bieg służy do maksymalizacji przyspieszenia przy ruszaniu. Dzięki niemu, samochód może jeszcze efektywniej wykorzystać ogromny moment obrotowy silnika elektrycznego, katapultując się do przodu z jeszcze większą siłą. To rozwiązanie jest szczególnie cenne w pojazdach o sportowym zacięciu, gdzie każda dziesiąta sekundy w sprincie do "setki" ma znaczenie.

Kiedy skrzynia zmienia przełożenie i co to daje kierowcy?

Drugi, dłuższy bieg w Porsche Taycan czy Audi e-tron GT ma za zadanie poprawić wydajność i zasięg przy wyższych prędkościach, na przykład podczas jazdy autostradowej. Dłuższe przełożenie pozwala silnikowi pracować na niższych obrotach przy tej samej prędkości pojazdu, co zmniejsza zużycie energii i hałas. Zmiana biegu odbywa się automatycznie i jest praktycznie niezauważalna dla kierowcy, zazwyczaj przy prędkościach rzędu 80-100 km/h. Dla kierowcy oznacza to nie tylko lepsze osiągi przy starcie, ale także większą efektywność i komfort podczas dłuższych podróży, szczególnie na drogach ekspresowych i autostradach. To kompromis między bezkompromisowym przyspieszeniem a optymalnym zużyciem energii.

Inne rozwiązania: jak działają dwa silniki zamiast dwubiegowej skrzyni?

Ciekawą alternatywą dla dwubiegowej skrzyni jest stosowanie dwóch silników elektrycznych, każdy z własnym, zoptymalizowanym przełożeniem. Często jeden silnik (np. na przedniej osi) może być skonfigurowany do bardziej ekonomicznej jazdy i pracy w zakresie średnich prędkości, natomiast drugi (np. na tylnej osi) do dynamicznego ruszania i zapewniania maksymalnej mocy w razie potrzeby. Producent może tak dobrać przełożenia dla każdego z silników, aby wspólnie zapewniały optymalne osiągi i efektywność w różnych scenariuszach jazdy. To rozwiązanie daje dużą elastyczność w zarządzaniu mocą i momentem obrotowym, bez konieczności stosowania skomplikowanej skrzyni biegów dla jednego silnika.

Czy biegi wrócą do aut elektrycznych?

Pytanie o przyszłość skrzyń biegów w samochodach elektrycznych jest fascynujące. Choć prostota jednobiegowego reduktora jest kusząca, inżynierowie wciąż szukają sposobów na dalszą optymalizację, a nawet na przywrócenie pewnych wrażeń z jazdy, do których przyzwyczailiśmy się w autach spalinowych.

Koncepcje wielobiegowych skrzyń dla EV i ich potencjalne korzyści

Firmy takie jak ZF, znane z produkcji zaawansowanych skrzyń biegów, opracowują bardziej zaawansowane, dwubiegowe przekładnie dla EV. Ich celem jest nie tylko poprawa osiągów, ale przede wszystkim redukcja zużycia energii. Badania pokazują, że zastosowanie optymalnie dobranych dwóch przełożeń może obniżyć zużycie energii o około 5%, zwłaszcza przy wyższych prędkościach. To może przełożyć się na zwiększenie zasięgu, co jest kluczowe dla wielu kierowców. Ponadto, taka skrzynia mogłaby pozwolić na zastosowanie mniejszych, lżejszych silników elektrycznych, co z kolei obniżyłoby masę pojazdu i koszty produkcji. To pokazuje, że nawet w świecie elektryków, inżynierowie wciąż widzą potencjał w optymalizacji mechanicznej.

Wirtualne biegi: czy symulacja zmiany przełożeń to przyszłość sportowych EV?

Jednym z najbardziej intrygujących trendów jest koncepcja "wirtualnych skrzyń biegów". Nie chodzi tu o fizyczne przełożenia, ale o oprogramowanie, które symuluje zmianę biegów. Przykładem jest Hyundai Ioniq 5 N, a także planowane wdrożenie tego rozwiązania w Porsche Taycan od 2027 roku. Wirtualne biegi to nic innego jak programowe sterowanie momentem obrotowym silnika, które naśladuje szarpnięcie i zmianę dźwięku towarzyszące zmianie przełożenia w aucie spalinowym. System może również symulować "odcięcie" zapłonu przy wysokich obrotach, co ma na celu zwiększenie zaangażowania i przyjemności z jazdy, zwłaszcza dla miłośników sportowej jazdy, którzy tęsknią za interakcją z samochodem.

Co technologia "udawanej" skrzyni biegów zmienia w odczuciach z jazdy?

Technologia "udawanej" skrzyni biegów ma przede wszystkim wpłynąć na odczucia kierowcy. Dla wielu osób, zwłaszcza tych przyzwyczajonych do aut spalinowych, brak "biegów" w elektryku jest jedną z głównych barier psychologicznych. Płynne, liniowe przyspieszenie, choć efektywne, bywa postrzegane jako mniej angażujące. Producenci dążą do symulacji tych wrażeń szarpnięcia przy zmianie "biegu", charakterystycznego dźwięku silnika (generowanego przez głośniki) aby zapewnić bardziej emocjonujące doświadczenie za kierownicą. Moim zdaniem, to ciekawy sposób na połączenie zalet napędu elektrycznego z tradycyjnymi elementami, które budują więź kierowcy z samochodem. Czy to się przyjmie? Czas pokaże, ale na pewno jest to krok w stronę bardziej zindywidualizowanych wrażeń z jazdy.

Jedna przekładnia, by wszystkimi rządzić?

Podsumowując naszą podróż przez świat napędów elektrycznych i kwestię skrzyń biegów, warto zebrać najważniejsze wnioski i spojrzeć na szerszy obraz.

Kluczowe różnice w napędzie, które każdy kierowca powinien znać

• Brak wielobiegowej skrzyni biegów: Większość EV korzysta z jednobiegowej przekładni redukcyjnej, w przeciwieństwie do skomplikowanych skrzyń w autach spalinowych.
• Moment obrotowy od zera: Silniki elektryczne oferują maksymalny moment obrotowy natychmiast po starcie, eliminując potrzebę wielu przełożeń do utrzymania optymalnych obrotów.
• Bieg wsteczny: W EV realizowany jest poprzez odwrócenie kierunku obrotów silnika, bez dodatkowych mechanicznych elementów.
• Prostota konstrukcji: Układ napędowy EV jest znacznie prostszy, co przekłada się na mniejszą liczbę ruchomych części i potencjalnych awarii.

Przeczytaj również: Jak dbać o samochód? Ekspert radzi, jak unikać kosztów i awarii.

Dlaczego prostota konstrukcji napędu EV jest jego największą zaletą?

Dla mnie, jako eksperta, prostota konstrukcji napędu elektrycznego jest jego największą zaletą. Brak skomplikowanej skrzyni biegów oznacza mniej elementów, które mogą się zużyć lub zepsuć. To przekłada się na większą niezawodność i mniejsze wymagania serwisowe, co jest ogromną korzyścią dla właścicieli. Mniej części to także mniejsza masa pojazdu, co pozytywnie wpływa na efektywność energetyczną i zasięg. Ponadto, prostszy układ napędowy jest zazwyczaj bardziej efektywny, ponieważ straty energii na tarcie i ciepło w skomplikowanych przekładniach są minimalizowane. W dobie dążenia do zrównoważonego rozwoju i obniżania kosztów eksploatacji, ta fundamentalna prostota napędu elektrycznego jest jego niepodważalnym atutem i kluczem do sukcesu na rynku motoryzacyjnym.