Вы когда-нибудь видели автомобиль с гибридной силовой установкой и ручной коробкой передач? Сомневаемся, хотя история техники знает и такие примеры. Скорее всего, оказавшись за рулем вы обнаружите один из многих типов переключателя режимов автоматической трансмиссии. Но чем он управляет?
Массовые гибридные автомобили появились на рынке в конце 20-го века, и с тех пор инженеры перепробовали (и продолжают пробовать) множество различных конструкций. Рассмотрим самые популярные.
Гибриды с классической коробкой передача
Это, пожалуй, самый простой, дешевый, но и малоэффективный тип гибридных автомобилей. Но не самый старый. Напротив, своим появлением машины с такой конструкцией обязаны популярности куда более продвинутых и совершенных гибридов. Автопроизводители, уловив новую моду, стали думать, как при адаптировать новую технологию к своим старым моделям что называется «малой кровью».
Представьте классический бензиновый автомобиль с автоматической коробкой передач, где передача крутящего момента и смена ступеней происходит за счет гидравлических приводов. Относительно простая, надежная, выносливая технология, которой в следующем десятилетии исполнится уже 100 лет.
А теперь представьте, что прямо на выходном валу двигателя, перед коробкой передач, где-то в районе маховика вставляется электродвигатель. Вал от двигателя при этом становится его ротором, а снаружи крепится статер. При необходимости такой двигатель включается и добавляет тяги, в переходных режимах обеспечивает некоторое торможение двигателем и рекуперирует энергию, а при желании может и осуществлять движение на электротяге, если, конечно, емкость батареи это позволяет.
Такие гибриды уступают в эффективности более продвинутым конструкциям, зато схему легко адаптировать к уже существующим шасси. Они были популярны около 20-15 лет назад: такими были ранние гибриды BMW, Mercedes и General Motors — например, первый гибридный Cadillac Escalade.
Гибриды с планетарной передачей
Схема, предложенная концерном Toyota в конце 1990-х и сделавшая модель Prius именем нарицательным. Собственно, именно такими и были гибриды до самого последнего времени.
Планетарный редуктор — это набор шестеренок, движущихся по разным орбитам, что внешне может напоминать модель Солнечной системы, причем не только с планетами, но и с их спутниками. Не случайно некоторые шестеренки в таких редукторах так и называются — спутники, или сателлиты. Примером простейшей планетарной передачи является хорошо знакомый всем автомеханикам-любителям дифференциал — он же главная передача.
Фишка такой системы в том, что блокируя те или иные шестерни, на выходе можно получать разное передаточное отношение. Что еще важнее, точек входа крутящего момента может быть несколько. Это позволяет подключить бензиновый и электрический приводы не через один вал, как в гибридах с классическими автоматами, а через разные шестерни.
В итоге передачи как бы перемножаются. Там, где диапазон оборотов бензинового мотора уже исчерпан рост скорости может обеспечиваться электроприводом, и наоборот. Кроме того, в такой схеме существенно увеличивается эффективность рекуперации электроэнергии за счет торможения.
Фактически, Toyota доказала, что возможно достичь такой синергии электромотора и двигателя внутреннего сгорания, что паразитная энергия последнего не будет просто сгорать в атмосфере, а может накапливаться в батарее и повторно использоваться за счет электромотора. Проще говоря, то топливо, которое в обычной бензиновой машине сгорает впустую, в таком гибриде переходит в электроэнергию и идет на пользу. В итоге и достигается та самая топливная экономичность, рази которой и городили всю эту сложную конструкцию.
Примерном гибридного привода с планетарной передачей являются фактически все гибриды Toyota и Lexus, которых уже продано миллионы.
Однако нет предела совершенству.
Гибриды с роботом или вариатором
При всех достоинствах планетарных передач по созданию синергии электрического и бензинового двигателей, они не всегда оптимально выполняют собственно функцию коробок передач — то есть эффективную передачу энергии от двигателя внутреннего сгорания к колесам в широком диапазоне скоростей.
Потому почти все производители классических гибридов, и даже Toyota, пошли по следующему пути развития трансмиссий гибридов. ДВС и электромотор по прежнему вступают в синергию с помощью планетарной передачи — но максимально простой с минимальным числом ступеней. А далее к этой конструкции присоединяется дополнительный модуль, регулирующий передаточные отношения.
Вариантов тут два. Это может быть вариатор — такую конструкцию полюбили японские производители, например Nissan. Или простой робот. Много ступеней последнему не нужно, так как синергия ДВС и электромотора уже позволяет варьировать передаточные отношения. Например, гибриды Chery довольствуются трехступенчатыми «роботами», и водитель смены передач почти никогда не замечает.
Гибриды с простым редуктором
Зачем вообще машине коробка передач? Затем, что двигатель внутреннего сгорания развивает необходимый для движения крутящий момент только в довольно узком диапазоне оборотов. Например, он не работает при 0 оборотов. Совсем. А обороты колес автомобиля в момент начала движения равны как раз 0. Чтобы согласовать рабочие обороты мотора с оборотами колес и нужна трансмиссия, причем каждая передача соответствует определенному диапазону скоростей автомобиля.
У электромоторов такой проблемы нет. Они работают в значительно более широком диапазоне оборотов, а главное развивают крутящий момент уже с 0 оборотов. Достаточно просто присоединить колесо к электромотору, подать электроэнергию и оно закрутится. Его не надо сначала «заводить», а потом «раскручивать» хотя бы до холостого хода.
Потому, электромобилям коробки передач не нужны — достаточно простого редактора с фиксированными шестернями. То есть одной единственной передачи и без сцепления. Эта передача будет первой, она же будет и последней, а все ускорение электромобиля обеспечивается за счет роста оборотов электромотора.
Но при движении с большой скоростью, на трассе расход электроэнергии резко возрастает. А емкости батареи для дальних поездок уже не хватает. Потому в некоторых современных гибридах предусмотрен ДВС, но без коробки передач. Точнее с одной единственной, высшей передачей.
Такие машины трогаются исключительно на электротяге. Если энергии в батарее не хватает, бензиновый мотор начинает работать как генератор, но на малых скоростях он не связан с колесами.
Лишь при выезде на загородную трассу и с набором скорости ДВС соединяется с колесами через единственную, высшую передачу. Тронуться с такой передачи невозможно. А включить ее на скорости 120 км/ч и ехать на бензине — легко. Как пример такой схемы можно привести гибридные версии автомобилей Voyah.
Последовательные гибриды
Наконец, мы подошли к тому типу гибридов, популярность которых существенно выросла в последние годы. А именно к последовательным гибридам или электромобилям со встроенным мотор-генератором.
Главная беда всех электромобилей — недостаточный запас хода, помноженный на сложности с зарядкой батареи. Сами батареи дороги и тяжелы, причем их емкость прям зависит от цены. Если же поставить компактную, легкую и относительно дешевую батарею, то ее хватит для поездок по городу, но о дальних путешествиях придется забыть — придется слишком часто заряжаться, а зарядных станций все еще мало.
Но что, если сделать электромобиль с батареей на 150-250 километров пути, чего вполне хватает в городе, и дополнительным бензиновым мотором, который никак не связан с колесами, но может заряжать батарею в условиях, когда нужно ехать, а зарядной станции по пути нет? Это вполне возможно, и это и называется последовательными гибридами.
Яркий пример таких машин — кроссоверы Lixiang. Их колеса вращают исключительно электромоторы через простые одноступенчатые редукторы без каких-либо механизмов сцепления. То есть коробок передач в привычном смысле там нет. А бензиновые моторы исключительно вращают электрогенераторы, и то только тогда, когда это необходимо.
