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電動汽車係統中發動機與變速箱的聯係

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電動汽車係統中發動機與變速箱的聯係

發布日期:2019-11-14 作者: 點擊:

想要理解汽車發動機為什麽需要變速箱,首先要理解不同類型的發動機有什麽特點。發動機指能夠將一種能量形態轉化為動能的機器,是一種籠統的概念性定義,並不特指某一種動力元。能定義為發動機的機器有:外燃式發動機、內燃式發動機、渦扇發動機、蒸汽輪機以及電動機等,其中內燃式發動機則是一般理解的發動機,是燃油動力汽車使用的動力元。普通家用汽車使用的內燃機為汽油動力發動機,這種機器的運行步驟為:進氣噴油、壓縮蒸發、爆燃做功、排出廢氣。


第一步無須贅述,內燃機需要變速箱的核心因素是第三步爆燃做功,燃油與空氣混合進入發動機燃燒室(氣缸)後,通過活塞上行壓縮空氣產生高溫蒸發了汽油,汽油與空氣混合後被火花塞高壓電弧引燃,混合油氣則會瞬間爆燃。所謂燃油燃燒的本質是一種高溫化學反應,能量分子在明火的作用下開始劇烈的無規則運動,運動中產生的勢能可理解為宏觀判斷有規則但細節無規則的不斷撞擊,這一撞擊力會推動活塞下行驅動曲軸運轉,曲軸帶動的飛輪是發動機的動力輸出端,分子運動的狀態參考下圖。


那麽大量的能量分子在固定容積的氣缸內無規則劇烈碰撞(運動),這一過程中必然產生震動,震動則必然產生噪音。內燃式發動機產生動力的基礎正是這種會產生噪音的分子運動(震動),提升動力則需要讓噴入更多的燃油產生強度更大的分子運動,那麽高轉速運行的震動勢必更大,噪音勢必非常誇張,誇張到長時間運行會損壞聽覺係統。其次高強度的震動會造成活塞與氣缸物理接觸強度的增大,物理接觸嚴重則活塞與氣缸磨損嚴重,內燃式發動機並不適合長時間高轉速運行,否則耐用性會很差。


發動機通過轉速高低可以自由控製車速,但高轉速等於高轉速又等於高磨損,那麽通過變速箱提供不同的齒輪比,在不同的動力需求狀態下則能實現高車速低轉速。比如5MT五檔手動變速箱,在起步時車輛需要大扭矩則用1擋大齒輪比,也就是發動機驅動小齒輪驅動動力輸出的大直徑齒輪,發動機旋轉一周N圈小齒輪才會旋轉一圈,這樣能實現高轉速大馬力起步,重要的是能讓起步後的車速很低,因為發動機轉速高但小齒輪(驅動輪)轉得慢。馬力的計算公式為【(轉速×扭矩÷9549)×1.36】,在低速時扭矩小的狀態則通過齒輪比以高轉速獲得大馬力。


而車輛在高速行駛中的行駛阻力比靜態到動態的起步小得多,這種狀態下不用大馬力也能驅動車輛正常行駛。那麽此時以5擋齒輪比,讓發動機驅動大直徑的齒輪,該齒輪旋轉一周、動力小齒輪能旋轉N圈,這就實現了發動機低轉速小馬力輸出同樣能實現高車速。內燃式發動機為了控製磨損和噪音音強而不得不使用多擋變速箱,電機是不是也同理呢?


電動機與內燃式發動機運行原理不同,內燃機依靠燃油爆燃產生動能,而電機是依靠電流輸入電機的電磁線圈形成磁場力,利用電磁場和永磁體相斥的特性輸出動力,這種能量轉換不存在震動,與燃燒燃油相比是靜態的實現動能。靜態則不會考慮振動與噪音,其動能轉化結構也隻是簡簡單單的一組轉子軸承,隻要電機通電後則能直接旋轉,簡單的結構也幾乎不存在震動,否則軸承會快速的磨損損壞。


那麽不用考慮震動以及噪音的電動機則能實現高轉速,而且電流形成電磁場、電磁場形成動能的能量轉化效率極高,內燃機能實現40%能量轉化率就算高水平機器,而電動機能輕鬆實現90%以上。電流的傳輸效率高,在高轉速時動力不會明顯的衰減,而內燃機高轉運行會出現進氣量下滑導致功率下降。所有有絕對優勢的電動機可以輕鬆實現萬轉以上的高轉速,這種能夠依靠發動機自身轉速調節車速的電動機,還有必要使用變速箱嗎?


理論上是沒有必要的,但是電動機由於轉速太高如果直接則車速太快,為了把車速控製在合理的區間,所以電動機往往配合一台單速變速箱進行減速,也就是利用1AT自動變速箱將發動機的轉速拉低以實現合理的車速。但如果是中低速大扭矩驅動電機則無需變速箱,很多直驅電動大巴車是連減速都沒有的,電機轉速是多少則能通過車輪直徑對應形成多高的轉速,這就是電動機的優勢所在。


除無噪音、震動、高轉速以外,電動機還有恒扭矩的優勢,指起步瞬間可以爆發最大扭矩。因為電流的傳輸速度僅次於光速,踩下油門(電門)的瞬間電流即可達到電動機形成最大扭矩,這點是任何內燃式發動機都做不到的,低扭很強的柴油機也要在1000轉以上才能爆發最大扭矩,所以電動機的低速牽引力很強,這也是高鐵、無軌電車以及某些類型的特車都以電驅為主的原因。

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