شاید در دورهای که حتی گیربکس‌های 10 سرعته هم عرضه شده‌اند، تصور خودروهایی با گیربکس تک سرعته بسیار سخت است. اما همان‌طور که بازار خودروهای الکتریکی در حال گسترش است، دوره گیربکس‌های تک سرعته (تک دنده‌ای) نیز در حال شکل‌گیری است. اما فقط 1 دنده؟ چطور ممکن است؟ با چرخان همراه باشید تا پاسخ این سوال را بیابیم.
بیشتر بخوانید:
خودروهای احتراق داخلی (ICE) همواره دارای گیربکس‌های چند سرعته بوده‌اند تا در شرایط مختلف رانندگی عملکرد بهتری را از نظر قدرت و سرعت فراهم آورند. گیربکس‌های چندسرعته برای عموم مردم امری عادی و مطابق انتظار است. اما به هر حال چه بخواهیم و چه نخواهیم خودروهای الکتریکی 1 دنده بیشتر ندارند. اما چگونه ممکن است که خودروهای الکتریکی بدون داشتن گیربکس‌های چند سرعته عملکرد مناسبی داشته باشند و پاسخگوی نیازهای رانندگان باشند؟ جواب این سوال در نوع گشتاور و محدوده دور موتور این خودروها نهفته است.
خودروهای احتراق داخلی دارای محدوده کمی از دور موتور (RPM) هستند و حتی در همین محدوده کم هم به واسطه مسائل مربوط به تنفس و هوارسانی موتور، فقط در دور موتورهای مشخصی گشتاور و قدرت مناسبی تولید می‌کنند. در دورهای پایین، موتور حتی قادر نیست از اصطکاک قطعات خود بر بیاید و به همین دلیل اکثر خودروهای احتراقی توانایی کار کردن در دور موتور کمتر از 750 دور در دقیقه را ندارند و خاموش می‌شوند. علاوه بر آن حد بالای دور موتور در موتورهای احتراق داخلی مرسوم بسته به نوع طراحی موتور از 6000 تا 10000 دور در دقیقه تجاوز نمی‌کنند و عمل کات‌آف اجازه دور گرفتن بیشتر را به موتور نمی‌دهد. برای همین در این‌گونه خودروها برای حرکت دادن خودرو به یک گیربکس چند سرعته نیاز است تا محدوده کوچک و مفید دور موتور را به طیف وسیعی از سرعت و قدرت تبدیل کند تا به‌واسطه ضرایب دنده‌های مختلف خودرو عملکرد بهینه‌ای داشته باشد.
در شکل زیر دیاگرام گشتاور و توان موتورهای احتراق داخلی را برحسب دور موتورهای مختلف می‌بینید:
اما در خودروهای الکتریکی اوضاع طور دیگری است. در موتورهای الکتریکی به دلیل اینکه در آن‌ها بحث تنفس مطرح نیست و اصطکاک قطعات به اندازه موتورهای احتراقی نیست و همچنین در ابتدای حرکت در سیم‌پیچ‌های این موتورها نیروهای خلاف جهت دوران هنوز القا نشده‌اند به محض شروع به کار موتور، گشتاور حداکثر به چرخ‌ها منتقل می‌شود و نیاز به دور گرفتن زیاد موتور نیست. به خاطر همین است که این خودرو دارای شتاب اولیه بسیار بالایی هستند و با انتقال سریع گشتاور در بدو به کارگیری موتور الکتریکی، این خودروها بسیار قدرتمند هستند.
اگرچه گشتاور اکثر موتورهای الکتریکی در دورهای بالا کمتر می‌شود و خودروهای احتراقی در این زمینه برتر هستند؛ اما چیزی که اهمیت دارد این است که برای انتقال گشتاور ایجاد شده در موتورهای الکتریکی، از کمترین دور موتور تا بالاترین دور موتور، نیاز به گیربکس چند سرعته نیست و دور موتور تا هر میزان که سرعت نهایی خودرو برای آن طراحی شده باشد قادر است بالا برود و گسترش یابد. در نمودار زیر مشاهده میکنیم که وضعیت گشتاور و توان خودرو با موتورهای احتراقی متفاوت است. در شروع حرکت بیشترین گشتاور در اختیارمان است و با سرعت گرفتن خودرو توان موتور به حالت پیک خود می‌رسد و همه چیز مطابق میل ما و به بهترین شکل انجام می‌گیرد و دیگر نیاز به تغییر ضریب دنده برای ایجاد شرایط بهینه نیست.
البته ناگفته نماند که خودروهای الکتریکی هم می‌توانند گیربکس‌های چند سرعته داشته باشند و این کاملاً امکان پذیر است. اما با توجه به آنچه از خروجی موتور مورد نیاز است ، کاملاً غیر ضروری است. اگر برای یک خودروی الکتریکی گیربکس چند سرعته طراحی شود حاصلی ندارد به جز پیچیدگی بیشتر اجزای خودرو، وزن بیشتر و ناکارآمدی و هزینه اضافی.
اکثر خودروهای الکتریکی مدرن قادرند تا بیش از 20000 دور در دقیقه دور بگیرند. برای مثال خودرو تسلا مدل S یک گیربکس تک سرعته با ضریب دنده 1:9.73 دارد و دور موتور آن از 16000RPM فراتر می‌رود. این گیربکس اجازه می‌دهد که گشتاور حاصل از دورهای بالاتر بدون نیاز به دنده‌های بیشتر مدیریت شوند. اگر ضریب دنده 1:1 بود در آن صورت از نظر تئوری چرخ‌های خودرو می‌توانستند با سرعت 16000 دور در دقیقه بچرخند. با استفاده از رینگ و لاستیک 245/35R21 باید انتظار سرعت 2110 کیلومتر بر ساعت را داشتیم! که عملاً در شرایط واقعی به هیچ عنوان امکان پذیر نیست. لذا با بررسی فنی و مهندسی گیربکس تک سرعته با ضریب دنده 1:9.73 برای این خودرو در نظر گرفته و طراحی شده است.
برای روشن‌تر شدن موضوع به مثال عددی زیر توجه کنید:
ابتدا بررسی کنیم که خودرو الکتریکی با ضریب 1:9.73 با رینگ 245/35R21 (رینگ 21 اینچ-قطر کلی چرخ معادل 70.48 سانتی‌متر) در شرایط فرضی با دور موتور 16000RPM چه سرعتی خواهد داشت:
***(ضریب 0.06 برای انجام تبدیل واحد قرار داده شده است)***
ضریب دنده/(محیط چرخ* دور موتور) =سرعت
9.73/(3.14*0.7*16000)*0.06=سرعت
کیلومتر بر ساعت 216 =سرعت
پس با دور موتور 16000 میزان سرعت این خودرو برابر با 216 کیلومتر بر ساعت خواهد بود. حال فرض کنیم که یک خودرو با موتور احتراق داخلی با ضریب دنده 1:9.73 و شرایط تایر مشابه و در دور موتور 6000 دور در دقیقه (باتوجه به محدوده کمتر دور موتور ) قادر است چه سرعتی را ایجاد کند:
9.73/(3.14*0.7*6000)*0.06=سرعت
کیلومتر بر ساعت 81.32 =سرعت
مشاهده میکنیم که با فرض اینکه موتور در این دور دچار هرزگردی نشود اگر از این ضریب دنده در یک خودرو احتراق داخلی استفاده کنیم در دور 6000 فقط حدود 81 کیلومتر بر ساعت سرعت خواهد داشت. این سرعت به هیچ عنوان پاسخگوی نیاز ما نیست و نیاز به یک دنده سبک‌تر برای ایجاد سرعت بالاتر داریم. حالا محاسبه میکنیم که به چه ضریب دنده ای نیاز داریم تا بتوانیم در دور 6000 به سرعت 216 کیلومتر بر ساعت برسیم:
سرعت/(محیط چرخ* دور موتور) =ضریب دنده
216/(3.14*0.7*6000)*0.06 =ضریب دنده
3.66 =ضریب دنده
مشاهده میکنیم که ضریب دنده سبک‌تر می‌شود. حالا فرض کنیم که می‌خواهیم در خودرو احتراق داخلی مورد نظر با همین ضریب دنده (1:3.66) با سرعت 20 کیلومتر برساعت حرکت کنیم . ببینیم که به چه دور موتوری نیاز داریم:
محیط چرخ/(ضریب دنده*سرعت ) =دور موتور
(0.06*3.14*0.7)/(3.66*20)=دور موتور
دور در دقیقه 555 =دور موتور
موتورهای احتراقی در 555 دور در دقیقه نمی‌توانند کار کنند و خاموش می‌شوند. بنابراین نیاز به دنده سنگین‌تر داریم تا برای شروع حرکت و سرعت های پایین‌تر مناسب باشد.
با نتایج به‌دست آمده مشاهده میکنیم که خودروهای احتراقی نیاز به گیربکس چند سرعته با ضرایب متفاوت دارند تا بتوانند مفید واقع شوند. اما در موتورهای الکتریکی شرایط بسیار متفاوت است. به لطف توانایی این موتورها در ارائه حداکثر گشتاور در بدو حرکت و همچنین توانایی کار کردن در دورموتورهای پایین و در کنار این‌ها دارا بودن رنج دور موتورهای بسیار بالاتر از موتورهای احتراق داخلی، همراه با عملکرد بهینه در تمام دور موتورها، این موتورهای قادرند که سرعت و قدرت مناسب را فقط با یک دنده ارائه دهند و موفق ظاهر شوند و عملاً نیازی به گیربکس چند سرعته با ضرایب مختلف نیست.
مختصر و مفید، نمودار توان مورد نیاز ماشین در حرکت یکنواخت برحسب سرعت هم نمودار توان موتور الکتریکی نزدیکتره