Sähköauton voimansiirto: Yksi vaihde riittää 17.08.2021 Juha Kiiskinen

Polttomoottorikäyttöiset autot tarvitsevat tuekseen vaihteiston, jossa henkilöauton tapauksessa saattaa olla kymmenenkin vaihdetta. Sähköauto kuitenkin usein pärjää yksivaihteisella voimansiirrolla. Miten tämä on mahdollista?

Voima siirtyy pyörille
Moottorikäyttöisen ajoneuvon liikkeen mahdollistama voima ja nopeus riippuvat ajoneuvon käyttöjärjestelmän pyörimisnopeudesta. Kun käyttöjärjestelmän pyörimisnopeus kasvaa, pyöriin kohdistuva voima – vääntömomentti – voi moottorin ominaisuuksien mukaisesti vaihdella.

Polttomoottorilla varustetun ajoneuvon vääntömomentti kasvaa moottorin pyörintänopeuden mukana ja tietyn pisteen – eli vääntömomentin huipun – saavutettuaan alkaa kaasujenvaihdon häviöiden kasvaessa sitten laskea uudelleen. Suorituskyvyn, ajomukavuuden, pakokaasupäästöjen ja polttoaineenkulutuksen ristiriipunnassa nykyisissä polttomoottorilla varustetuissa henkilöautoissa on yleensä vähintään viisi vaihdetta, joissain jopa tuplasti enemmän.

Polttomoottoreista poiketen sähkökäyttöisellä järjestelmällä suurin vääntömomentti on käytettävissä heti moottorin ensipyörähdysten myötä, pysyen vakiona yleensä laajalla pyörintänopeusalueella. Siksi monivaihteisen, automaattivaihteiston tapauksessa monimutkaisenkin rakenteen käyttäminen ei ole välttämätöntä halutun nopeuden tai tarvittavan vääntömomentin saavuttamiseksi.

Yksi vaihde riittää
Sähköautotekniikkaa edustavassa esimerkkiautossa, Volkswagen ID.3:ssa, käytetään 2-vaiheista, mutta 1-vaihteista voimansiirtoa. Kun autoa peruutetaan, sähköisen käyttöjärjestelmän pyörimissuunta yksinkertaisesti vaihtuu. Monien muiden komponenttien lisäksi tästä ja käyttöjärjestelmän voimantuotto-ominaisuuksista sekä akuston lataamisesta vastaa auton tehoelektroniikka.

Jotta kestomagnetoidun sähkömoottorin enimmillään 150 kW akseliteho voidaan saavuttaa, sähkökäyttöisen voimayksikön on pyörittävä suurilla nopeuksilla. Korkean vääntömomentin aikaansaamiseksi käytetään suuruusluokkana 10-kertaista välityssuhdetta. VW Kuplan tapaan takamoottorisessa ja -vetoisessa ID.3:ssa 1-vaihteisen alennusvaihteiston välityssuhde on 11,53.

Volkswagenin APP310-voimalinjayksikkö on varsin kevyt, sillä sekä moottorin että vaihteiston yhteispaino on vain noin 90 kg.

Tilaa säästävä konstruktio
Tilan säästämiseksi vaihteistossa on kaksivaiheinen, tilaa säästävä konstruktio, jossa käytetään kahta pienempää hammaspyörää yhden suuremman hammasrattaan sijasta.
Volkswagen ID.3:n sähkökäyttömoottori tarjoaa suurimman vääntömomentin 310 Nm laajalla pyörintänopeusalueella. Auton huippunopeus 160 km/h saavutetaan enimmäisnopeudella 16 000 rpm. Niinpä tälle akkukäyttöiselle sähköautolle yhden vaihteen käyttö kaikissa ajotilanteissa on katsottu täysin riittäväksi.

Samaan konserniin kuuluvassa Porsche Taycan-urheiluautossa tosin käytetään 2-vaihteista voimansiirtoa raisua kiihtyvyyttä ja korkeaa huippunopeutta varmistamaan.

Osien valmistus vaatii tarkkoja toleransseja
Polttomoottoritekniikkaan verrattuna sähkökäyttöinen voimalinja on hiljainen. Tämän myötä sähköauton melutason on hallinta on tärkeää, koska pienimmätkin melulähteet voivat erottua selkeästi.
Tämän vuoksi sähkökäyttöisen auton yksivaihteisen vaihteiston osat on valmistettava hyvin tarkasti ja tiukoin toleranssein, jotta ne eivät aiheuttaisi ylimääräistä ja usein selkeästi kuultavaa melua. Volkswagenin mukaan tuotantolinjan lopussa ei tarkisteta pelkästään sähkökäyttöjärjestelmän teho-ominaisuuksia, vaan myös asiaankuuluvat meluarvot.

Kehittyneiden vaihteistojen valmistus jatkossa?
Edellä kuvatun mukaisesti vaikuttaa siis siltä, että ainakin tässä vaiheessa sähköautot tulevat toimeen varsin yksinkertaisen vaihteistoratkaisun avulla.

Kun tämäntyylistä yksivaihteista verrataan polttomoottoriautojen ohjaukseltaan, kokoonpanoltaan ja toiminnaltaan varsin monimutkaisiin ja -vaihteisiin automatisoituihin vaihteistoratkaisuihin, herää kysymys, miten jatkossa käy tämän sangen spesifioituneen teollisuudenalan, kun uusien polttomoottorikäyttöisten henkilöautojen valmistus ja myynti vuosikymmenen vaihtuessa alkaa nykynäkemyksen mukaan olla henkilöautojen osalta loppusuoralla? Edessä lienee mahdollisesti rankkojakin sopeutustoimia ja/tai uusien bisnesalueiden valloittamista. Näinhän kävi aikanaan mm. kaasuttimien valmistajille.