تکنولوژی انقلابی ZF برای رفع مشکل فراگیر گیربکس خودروهای برقی

چندی پیش شرکت شهیر آلمانی ZF که یکی از بزرگ ترین سازندگان جعبه دنده در جهان است از یک جعبه دنده 2 سرعته برای خودروهای الکتریکی پرده برداری کرد و در خبرهای نیز تایید شد که پورشه تایکان به عنوان یکی از مورد انتظارترین خودروهای الکتریکی سال از جعبه دنده دو سرعته در محور عقب خود بهره می برد. همین موضوع بهانه ای شد تا به بررسی مزایا و معایب جعبه دنده در خودروهای الکتریکی بپردازیم.

اگر بخواهیم توضیح سریعی درباره چرایی استفاده از جعبه دنده در خودروها بدهیم. باید عنوان کرد که موتورهای احتراق داخلی دربازه محدودی توانایی دور خوردن دارند و بسته به نوع رانندگی نیاز به افزایش و یا کاهش دور موتور وجود دارد که جعبه دنده این کار را برای موتور انجام می دهد.

موتور با قرار گیری در زیر 1000 rpm خاموش می شود و با گذشتن از محدود قرمز آسیب می بیند به همین دلیل اکثر خودروهای مدرن محدودکننده دور دارند تا از آسیب به موتور جلوگیری شود.

همچنین باید یک تعادل بین سرعت خودرو و گشتاور ایجاد شود. در دنده های پایین جعبه دنده اثری مشابه با یک اهرم طویل دارد. می دانیم با ضرب نیرو در فاصله گشتاور حاصل می شود با اهرم بلندتر گشتاور بیشتری خواهیم داشت. به همین دلیل خودرو در شروع حرکت شتاب گیری بیشتری دارد اما اگر شما در همان دنده پایین باقی بمانید، موتور بیش از اندازه سریع دور می خورد.

برای این که به سرعت های بالاتری دست پیدا کنید، نیاز دارید تا به دنده بعدی بروید هرچند دنده بعدی دلیل افزایش سرعت شما نیست. با تعویض دنده حتی گشتاور اولیه متحرک در دنده قبل به کلی از دست می رود اما شما در حال حرکت هستید و دیگر نیازی به گشتاور دنده قبلی ندارید.

حتی دنده های موسوم به اور درایو (overdrive) توسط سازندگان قرار داده شده است تا با پایین نگه داشتن دور موتور و چرخش کمتر (موتور) به نسبت چرخ ها بهره وری افزایش و مصرف سوخت کاهش پیدا کند.

حال نوبت به خودروهای الکتریکی می رسد. دلیل این که اکثر خودروهای الکتریکی به جعبه دنده چند سرعته نیاز ندارند بازه دور بسیار بالای موتورهای الکتریکی است. در موتورهای الکتریکی نه خبری از خاموشی است و نه موتور در دورهای بسیار بالا آسیب می بیند. با فشردن یک پدال گاز کوچک شما از همان شروع حرکت حداکثر گشتاور تولیدی موتور الکتریکی را در اختیار دارید و موتور قابلیت دور خوردن تا 20,000 rpm را نیز دارد.

اما بزرگ ترین مشکل این است که گشتاور تا دور مشخصی به حداکثر میزان خود می رسد و بعد از رسیدن به سرعت مشخصی دیگر گشتاور بیشتری تولید نمی کند. از نظر مصرف انرژی نیز هر دوری برای موتور الکتریکی مناسب نیست و معمولا در حدود سرعت 50 تا 65 کیلومتر بر ساعت بهینه ترین شرایط رانندگی خواهد بود. در نتیجه خودروهای الکتریکی با جعبه دنده تک سرعته در اتوبان برد حرکتی پایین و قدرت کمتری تولید می کنند و حتی با استفاده از دنده های بلندتر نیز سرعت اولیه و عملکرد آن ها در استفاده شهری کاهش پیدا می کند.

اما طرفداران دو آتشه شرکت تسلا ممکن است بگویند که هیچ یک از محصولات تسلا از جعبه دنده بهره نمی برد و بهترین عملکرد را در بین تمامی خودروهای الکتریکی بازار دارند. این مسئله از نظر تاریخی صحبت چندان صحیحی نیست. تسلا قرار بود در مدل اصلی رودستر به عنوان اولین خودروی تولیدی این شرکت از جعبه دنده 2 سرعته برای رسیدن به بهترین عملکرد استفاده کند.

آن ها به دنبال جعبه دنده ای بودند که دارای دنده پایین برای سرعت گیری سریع و دنده بالا برای رسیدن به حداکثر سرعت بیشتر باشد. در آن زمان حداکثر سرعت خودروهای الکتریکی همچون نیسان لیف به 151 کیلومتر بر ساعت می رسید و شورلت ولت نیز حداکثر سرعت برابر با 165 کیلومتر بر ساعت را داشت.

تسلا نتوانست این هدف را پیاده سازی کند و به دلیل گشتاور بسیار زیاد موتورهای الکتریکی که با تعویض دنده می توانست جعبه دنده را تکه تکه کند با تاخیر و هزینه اضافی مواجه شده و در نهایت پروژه استفاده از جعبه دنده چند سرعته به کلی کنار گذاشته شد. در همان زمان تسلا با کار بر روی نسخه پیش تولید و آزمایشی (پرتوتایپ) مدل S به راه حل دیگری دست یافت. موتور الکتریکی بهتر که توانایی تولید الکترون های بیشتری برای ایجاد یک منحنی گشتاور طولانی تر را ممکن می سازد تا خودرو به سرعت های بالاتر دست پیدا کند.

مهم ترین مشکل راه حل تسلا اما مصرف بسیار بالای باتری تحت چنین شرایطی است و در آن زمان فن آوری باتری ها به قدری پیشرفته نبود که امکان شارژدهی به این موتور الکتریکی را برای طولانی مدت پشتیبانی کند و باتری ها به سرعت خالی می شدند.

در نهایت تسلا به دنبال راه حل دیگری رفت تا این مشکل را حل کند و دو موتور یکی در محور جلو و دیگری در محور عقب قرار دارد. مدل های دو موتوره مانند مدل S، مدل X و مدل 3 از ضریب دنده متفاوت در موتور جلو و عقب بهره می برند. در سرعت پایین حداقل 50 درصد نیرو توسط محور عقب تامین می شود و این موتور با ضریب بهینه شده در سرعت پایین کار می کند. زمانی که خودرو در شرایط بزرگراه قرار می گیرد و حالت "برد حرکتی" فعال می شود، کامپیوتر خودرو محور متحرک را به موتور و چرخ جلو که ضریب دنده بهتری (بلندتر) دارد تغییر می دهد.

درست است که تسلا در عمل به جعبه دنده چند سرعته مجهز نیست اما از مفهوم ضریب دنده به شکل متفاوتی استفاده می کند.

جعبه دنده شرکت ZF همان کاری که شرکت تسلا در توسعه آن ناموفق بود را انجام می دهد. ZF توانسته در طی آزمایشاتی مزایای این جعبه دنده را برای خودروهای الکتریکی تولید انبوه ثابت کند. آنها نه تنها موفق به افزایش 5 درصدی برد حرکتی خودرو شده اند بلکه شتاب گیری سریع تری را به نسبت خودروهای مجهز به جعبه دنده تک سرعته به ثبت رسانده اند. در نتیجه خودرو مصرف انرژی بهینه تر بعلاوه ارتقا عملکرد را تجربه خواهد کرد. مشابه با چیزی که در خودروهای احتراق داخلی سالیان سال در حال تجربه ایم.

جعبه دنده ZF در سرعت 70 کیلومتر بر ساعت دنده را تعویض می کند و از آنجا که این شرکت عمدتا جعبه دنده های خود را در اختیار نام های بزرگ صنعت خودروسازی می گذارد این امکان فراهم شده تا سیستم کامپیوتری خودرو توانایی کنترل زمان تعویض دنده را بر عهده بگیرد تا به اهداف مورد نیاز شرکت همچون بهره وری، عملکرد و امکان کشیدن (بکسل کردن) و...فراهم شود.

در نهایت با همه این تفاسیر همه چیز به بهای نهایی باز می گردد. در خودروهای الکتریکی کوچک و مخصوص شهر به نظر همان جعبه دنده تک سرعته کافی خواهد بود اما برای مدل های با قابلیت حضور در بزرگراه استفاده از حداقل یک دنده اضافه می تواند کمک شایانی کند.

پیش از این در مطلبی به جعبه دنده الکترونیکی e-CVT شرکت تویوتا پرداخته بودیم که می توانید در اینجا مطالعه کنید.