Trasassi per motori elettrici: guida alla progettazione, selezione e manutenzione

Cosa combina realmente un cambio con motore elettrico

An cambio motore elettrico integra tre funzioni che prima richiedevano componenti separati in un unico alloggiamento: il motore elettrico, il riduttore e il differenziale che ripartisce la potenza tra le due ruote motrici. In un veicolo a benzina convenzionale, il motore, la trasmissione e il differenziale dell'asse sono generalmente gruppi distinti collegati da alberi di trasmissione. In un veicolo elettrico costruito attorno a un cambio, tutto questo risiede in un’unità compatta montata direttamente sull’asse, motivo per cui il design è diventato l’architettura predefinita per la maggior parte delle auto elettriche, molti veicoli ibridi e un numero crescente di golf cart elettrici, carrelli elevatori e veicoli commerciali leggeri.

Questo consolidamento è importante perché i motori elettrici si comportano in modo molto diverso dai motori a combustione interna. Un motore elettrico produce la coppia completa quasi istantaneamente da fermo e può girare in sicurezza a un numero di giri molto più elevato rispetto a un motore a pistoni, il che significa che gli ingranaggi necessari per tradurre la potenza del motore in velocità e coppia utilizzabili della ruota sembrano completamente diversi da una tradizionale trasmissione a più velocità. La maggior parte dei cambi elettrici utilizza un unico rapporto di trasmissione fisso anziché più marce selezionabili, poiché l'ampia fascia di coppia del motore rende il cambio in gran parte superfluo per la guida di tutti i giorni.

Componenti principali all'interno dell'alloggiamento

L'apertura di un tipico cambio elettrico rivela un insieme abbastanza compatto di parti che lavorano insieme in un caso condiviso. Il motore elettrico si trova a un'estremità, solitamente un motore sincrono a magnete permanente o un motore a induzione, a seconda delle priorità di progettazione del produttore in termini di efficienza, costi e prestazioni ad alta velocità. All'albero di uscita del motore è collegato un gruppo di ingranaggi di riduzione, più comunemente un treno di ingranaggi elicoidali a due o tre stadi, sebbene alcuni progetti utilizzino gruppi di ingranaggi planetari per un ingombro più compatto.

Dal riduttore, la potenza fluisce in un differenziale aperto o a slittamento limitato, che consente alle due ruote motrici di ruotare a velocità diverse durante le curve pur ricevendo potenza dal singolo motore. Tutto ciò è circondato da un sistema di lubrificazione, solitamente un sistema alimentato da una pompa a sbattimento o a bassa pressione che utilizza uno specifico fluido per cambio formulato per gestire sia la lubrificazione degli ingranaggi che, in molti modelli, anche un certo grado di raffreddamento del motore.

Principali sottosistemi da conoscere

• Motore elettrico, sia a magnete permanente che a induzione
• Treno di ingranaggi di riduzione a rapporto fisso, tipicamente elicoidale o planetario
• Differenziale aperto o a slittamento limitato
• Circuito di lubrificazione e raffreddamento integrato
• Set di cuscinetti sigillati che supportano il motore e gli alberi di uscita

Design a velocità singola e perché raramente sono necessarie più marce

Una delle domande più comuni delle persone che passano dai veicoli a combustione è perché i cambi elettrici non includono quasi mai una trasmissione a più velocità. La risposta sta nella forma delle curve di coppia e potenza di un motore elettrico. Un motore a benzina produce una coppia elevata solo all'interno di una fascia ristretta di giri, motivo per cui esistono più marce per mantenere il motore in funzione vicino a quel punto ottimale in un'ampia gamma di velocità del veicolo. I motori elettrici, al contrario, forniscono una coppia quasi massima a partire da zero giri al minuto e mantengono la potenza utile in un intervallo di velocità molto più ampio, spesso fino a 15.000 o addirittura 20.000 giri al minuto in alcuni progetti.

Per questo motivo, un unico rapporto di trasmissione scelto con cura può coprire prestazioni accettabili da una partenza da fermo fino a velocità autostradali senza il peso, i costi e la complessità meccanica aggiuntivi dei meccanismi di cambio. Una manciata di veicoli elettrici ad alte prestazioni utilizzano cambi a due velocità per migliorare l’accelerazione ai bassi regimi o l’efficienza alle velocità massime, ma questa rimane l’eccezione piuttosto che la regola nel mercato più ampio.

Selezione del cambio giusto per un'applicazione sul veicolo

La scelta di un cambio con motore elettrico per la progettazione di un nuovo veicolo o un progetto di conversione richiede la corrispondenza di diverse specifiche con il caso d'uso previsto anziché semplicemente scegliere l'opzione più potente disponibile. La potenza nominale continua conta più della potenza di picco per applicazioni prolungate come la navigazione in autostrada o il traino, poiché un cambio che può sostenere la sua potenza nominale solo per pochi secondi prima della limitazione termica deluderà nell'uso reale anche se il suo numero di picco sembra impressionante sulla carta.

La selezione del rapporto di trasmissione dovrebbe essere basata sulla velocità massima target e sulle caratteristiche di accelerazione desiderate, poiché un rapporto di trasmissione finale più corto migliora l'accelerazione e la capacità di affrontare le salite al costo di una velocità massima inferiore e di un'efficienza autostradale leggermente ridotta, mentre un rapporto più alto fa il contrario. Gli acquirenti devono inoltre verificare che il tipo di differenziale sia adatto alla loro applicazione; un differenziale aperto va bene per l'uso tipico dei passeggeri, ma i veicoli ad alte prestazioni o le applicazioni fuoristrada beneficiano di un differenziale a slittamento limitato o controllato elettronicamente che gestisce meglio l'erogazione di potenza quando una ruota perde trazione.

Specifiche chiave da confrontare

Strategie di raffreddamento e loro impatto sull'affidabilità

La gestione del calore all'interno di un cambio elettrico influisce direttamente sia sulla costanza delle prestazioni che sull'affidabilità a lungo termine. I design raffreddati ad aria, comuni nelle applicazioni a basso consumo come golf cart e veicoli commerciali leggeri, si basano sul flusso d'aria attraverso gli alloggiamenti alettati e sono semplici e richiedono poca manutenzione, ma sono limitati nella quantità di potenza sostenuta che possono dissipare prima che le prestazioni diminuiscano. I design raffreddati a liquido fanno circolare il refrigerante attraverso i canali che circondano lo statore del motore e talvolta attraverso la scatola degli ingranaggi stessa, consentendo un funzionamento prolungato ad alta potenza senza la limitazione termica che affligge le unità raffreddate ad aria sotto carichi pesanti o prolungati.

Alcuni transaxle ad alte prestazioni utilizzano un raffreddamento a base di olio che fa circolare lo stesso fluido utilizzato per la lubrificazione degli ingranaggi direttamente attraverso o attorno agli avvolgimenti del motore, il che offre un efficiente trasferimento di calore ma richiede un'attenta selezione del fluido, poiché l'olio deve soddisfare contemporaneamente sia i requisiti di isolamento elettrico del motore che le esigenze di lubrificazione a pressione estrema del treno di ingranaggi. Gli acquirenti che valutano i transaxle per applicazioni impegnative come veicoli commerciali per consegne o veicoli ad alte prestazioni dovrebbero chiedere specificamente informazioni sulla potenza nominale sostenuta a temperature operative realistiche piuttosto che fare affidamento esclusivamente sui valori di picco di avviamento a freddo di una scheda tecnica.

Considerazioni sull'installazione per conversioni e nuove build

Per gli ingegneri che lavorano su conversioni di veicoli elettrici o costruzioni personalizzate di veicoli a basso volume, il montaggio di un cambio elettrico richiede attenzione a diversi dettagli oltre al semplice fissaggio in posizione. I punti di montaggio devono essere progettati per gestire l'erogazione istantanea della coppia di un motore elettrico, che può sottoporre i supporti a sollecitazioni di picco più elevate rispetto a un motore a benzina comparabile che sviluppa la coppia in modo più graduale. Supporti rigidi o mal progettati possono trasmettere vibrazioni e rumore eccessivi nell'abitacolo, quindi molti produttori specificano supporti idraulici o elastomerici ottimizzati specificamente per le caratteristiche del propulsore elettrico.

Anche la scelta del semialbero merita un'attenta attenzione, poiché i giunti omocinetici che collegano il cambio ai mozzi delle ruote devono essere dimensionati per i picchi di coppia istantanei che un motore elettrico può fornire, in particolare durante l'accelerazione aggressiva da fermo. L'utilizzo di semialberi classificati solo per la coppia media anziché per la coppia di picco è una causa comune di guasto prematuro del giunto omocinetico nei veicoli convertiti.

Lista di controllo prima dell'installazione finale

• Confermare che i punti di montaggio siano classificati per l'erogazione di coppia istantanea, non solo per il peso statico
• Verificare che la coppia nominale del semialbero superi la potenza di picco del cambio
• Controllare il percorso della linea del refrigerante per eventuali attorcigliamenti o raggio di curvatura eccessivo
• Assicurarsi che il cablaggio del sensore di posizione del motore sia schermato dalle interferenze del cavo ad alta tensione
• Verificare che i livelli di riempimento del fluido e il tipo corrispondano esattamente alle specifiche del produttore

Pratiche di manutenzione che prolungano la durata utile

I cambi con motore elettrico richiedono molta meno manutenzione ordinaria rispetto a una combinazione tradizionale di motore e trasmissione, ma non sono del tutto esenti da manutenzione. L'olio degli ingranaggi deve essere ispezionato e cambiato secondo il programma del produttore, poiché anche un sistema sigillato può accumulare particelle metalliche derivanti dalla normale usura degli ingranaggi nel tempo e il fluido degradato perde la sua capacità di proteggere sia gli ingranaggi che, nei modelli raffreddati ad olio, gli stessi avvolgimenti del motore.

I sistemi di raffreddamento nei cambi raffreddati a liquido richiedono un'ispezione periodica per individuare eventuali perdite, una corretta concentrazione del liquido di raffreddamento e un flusso d'aria pulito attraverso il radiatore associato, poiché un sistema di raffreddamento che perde silenziosamente efficacia può portare a un graduale degrado del motore molto prima che si verifichi un guasto drammatico. Anche le guarnizioni dei cuscinetti dovrebbero essere controllate periodicamente per eventuali segni di perdite, poiché una guarnizione difettosa che consente all'olio degli ingranaggi di fuoriuscire o all'ingresso di contaminanti può portare rapidamente ad un'usura accelerata in tutta l'unità.

I proprietari e i gestori delle flotte dovrebbero tenere un semplice registro di manutenzione che tenga traccia dei cambi di fluido, dei rabbocchi del liquido di raffreddamento e di eventuali rumori o vibrazioni insoliti segnalati dai conducenti, poiché i problemi del cambio elettrico spesso si annunciano attraverso sottili cambiamenti nel suono o nella fluidità ben prima che si verifichi un guasto catastrofico. Rilevare questi primi segnali durante gli intervalli di manutenzione ordinaria è molto meno costoso che sostituire un'unità danneggiata dopo un guasto completo.

Abbinamento di un cambio al tuo caso d'uso specifico

In definitiva, la scelta del miglior cambio con motore elettrico per un determinato progetto dipende dalla capacità di abbinare potenza continua, coppia, rapporto di trasmissione e capacità di raffreddamento alle esigenze effettive del veicolo in questione piuttosto che inseguire il valore di potenza di picco più alto disponibile. Un veicolo utilitario a bassa velocità o un carrello da golf trae vantaggio da un'unità semplice, raffreddata ad aria e a bassa potenza che riduce al minimo i costi e la complessità, mentre un veicolo per consegne commerciali o una costruzione orientata alle prestazioni necessita di un'unità raffreddata a liquido con una potenza nominale sostenuta che rifletta le condizioni operative reali piuttosto che brevi picchi di banco di prova.

Acquirenti e ingegneri dovrebbero richiedere schede tecniche complete che coprano la potenza continua e di picco, le curve di coppia nell'intervallo di giri, le specifiche del differenziale e i dettagli del sistema di raffreddamento prima di impegnarsi in un cambio specifico e dovrebbero confrontare queste cifre direttamente con le esigenze dell'applicazione prevista piuttosto che fare affidamento solo sui riepiloghi di marketing.