Tema: 20  Transmisia automobilelor hibride și electrice; sisteme de cutii de viteze; cutie de viteze cu mecanism planetar 

20.1 Sisteme de cutii de viteze

Automobilele hibride și electrice utilizează diverse tipuri de cutii de viteze pentru a optimiza performanțele și eficiența. Iată câteva dintre cele mai comune tipuri de cutii de viteze utilizate în aceste vehicule (Figura 20.1):

·     Transmisie Continuă Variabilă (CVT). Acestea oferă o variație continuă a rapoartelor de transmisie, ceea ce permite motorului să funcționeze în intervalul său optim de turație. Sunt frecvent utilizate în automobilele hibride datorită eficienței lor ridicate.

·     Transmisie Automată (AT). Acestea utilizează un set de rapoarte fixe, dar pot schimba automat între ele. Unele hibride folosesc transmisii automate special modificate pentru a lucra împreună cu sistemele lor electrice și de combustie.

Figura 20.1 Tipuri de transmisii utilizate la automobilele hibride și electrice

Transmisie Directă. Majoritatea vehiculelor electrice folosesc o transmisie cu o singură treaptă, care este suficientă datorită caracteristicilor de cuplu ridicat și disponibil instantaneu al motoarelor electrice. Acest tip de transmisie transferă direct puterea de la motorul electric la roți, fără utilizarea unui sistem complex de angrenaje. Aceasta simplifică designul și crește eficiența.

Transmisie cu Mecanism Planetar. Este o transmisie simplă și eficientă, utilizată frecvent în automobilele hibride. Acest tip de transmisie utilizează un set de angrenaje planetare pentru a combina puterea de la motorul electric și motorul pe benzină, permițând o varietate de moduri de operare pentru a optimiza performanța și eficiența. Fiecare tip de transmisie are avantaje și dezavantaje specifice, iar alegerea unui anumit tip depinde de cerințele de performanță și de eficiență ale automobilului.

20.1 Construcția și principiul de funcționare a cutie de viteze cu mecanism planetar

Un mecanism planetar, un motor cu combustie internă și două motoare/generatoare formează împreună o transmisie E-CVT (Electronic Continuously Variable Transmission Figura 20.2). Practic cutia de viteze este formată din lanțul metalic, mecanismul planetare și reductorul fix. Controlul electronic al puterii celor trei motoare/generatoare (MG1, MG2 și motorul termic) permite varierea turației de ieșire din transmisie deci implicit a vitezei automobilului. Acest sistem este folosit de: Toyota, Lexus, Ford, Opel.

Figura 20.2 Structura  sistemului de propulsie dotat cu cutie de viteză E-CVT (Electronic Continuously Variable Transmission)

Într-un sistem hibrid cu un mecanism planetar, fiecare componentă are o conexiune specifică pentru a permite distribuirea și gestionarea eficientă a puterii. Iată cum sunt conectate aceste componente:

ž  Motor/Generator 1 (MG1): Este conectat la pinionul solar.

ž  Motor/Generator 2 (MG2): Este conectat la coroana dințată.

ž  Motorul cu combustie internă (ICE): Este conectat la platoul port-sateliți.

Toate componentele au poziții fixe, una în raport cu cealaltă, mișcare fiind doar de rotație, în jurul axelor. Astfel se elimină posibilele defecte și probleme ce pot apărea în cazul utilizării unei cutii CVT clasice sau a uneia automate.

20.3 Mecanism planetar – fluxul de energie

Pentru a descrie fluxul de energie într-un automobil cu propulsie hibridă și mecanism planetar, Toyota Prius este cel mai bun exemplu.

Modul de funcționare a grupului motopropulsor (propulsie electrică sau hibridă) sau regimul de funcționare al mașinilor electrice (motor sau generator) poate fi exemplificat prin dependența turațiilor elementelor mecanismului planetar (solară, platou sateliți și coroană).

În funcție de regimul de exploatare propulsia se realizează:

După punerea contactului, dacă conducătorul auto apasă pedala de accelerație, automobilul începe să se deplaseze fiind propulsat de MG2 care funcționează în regim de motor electric. În acest mod MG1 se va roti în sensul opus de rotație al MG1 ca un generator, deoarece motorul termic, fiind oprit, va imobiliza platoul sateliților din mecanismul planetar (Figura 20.5 a)

În modul de propulsie electric, dacă viteza automobilului depășește o anumită limită, motorul termic este pornit utilizând MG1. În această situație, invertorul va alimenta MG1, care va funcționa în regim de motor electric. Sensul de rotație al lui MG1 va fi același cu cel al lui MG2, ceea ce va permite antrenarea motorului termic (Figura 20.5 b).

După pornirea motorului termic dacă conducătorul dorește o accelerație ușoară sau mai puternică, automobilul este propulsat hibrid, cu motorul termic și cel electric MG2. Generatorul MG1 produce energie electrică pentru alimentarea MG2 (Figura 20.5 c).

În anumite condiții, precum la viteze mari, motorul cu ardere internă poate deveni principalul sursă de propulsie, dar motoarele electrice pot rămâne active pentru funcții precum regenerarea energiei și asigurarea unei tranziții eficiente între diferite moduri de propulsie.

Când conducătorul auto apasă pedala de frână pentru a reduce viteza automobilului, motorul termic este oprit. În această situație, MG2 funcționează ca generator electric, fiind acționat de roțile automobilului (frânare regenerativă). Energia generată de MG2 este utilizată pentru încărcarea bateriilor. MG1 nu este alimentat și se rotește în sens invers față de MG2, deoarece motorul termic este oprit (Figura 20.5 d).

Frânarea regenerativă cu MG2 nu înlocuiește complet sistemul de frânare hidraulic tradițional. Dacă este necesară o frânare mai puternică, sistemul hidraulic se activează, asemenea unui automobil convențional. Intensitatea frânării și necesitatea activării sistemului hidraulic sunt determinate de calculatorul sistemului de frânare, care utilizează informațiile de la un senzor de poziție montat pe pedala de frână. Poziția pedalei de frână indică forța necesară de frânare, ceea ce decide momentul în care sistemul hidraulic este activat. 

Figura 20.5 Regimurilor de funcționare reprezentate prin dependența turațiilor elementelor mecanismului planetar

Linia care leagă cele trei turații ale surselor de alimentare este întotdeauna dreaptă, deoarece acestea sunt conectate prin mecanismul planetar.

Întrebări de autoevaluare

1.    Ce tipuri de cutie de viteze este adesea folosit la automobilele hibride și electrice?

2.    De ce transmisia directă este utilizată la automobilele electrice?

3.    De ce transmisia cu mecanism planetar este considerată eficientă în automobilele hibride?

4.    Ce componente formează împreună o transmisie E-CVT?

5.    Care este rolul mecanismului planetar în sistemele de propulsie hibride și de ce este denumit PSD (Power Split Device)?

6.    Cum sunt conectate componentele unui sistem hibrid cu un mecanism planetar pentru a permite distribuirea și gestionarea eficientă a puterii?

7.    În ce mod sunt utilizate mecanismele planetare în automobilele electrice pentru a gestiona raportul de transmisie între motorul electric și roți?

8.    Ce rol joacă MG1 și MG2 în regimul de propulsie electrică imediat după pornirea automobilului?

9.    În ce condiții se pornește motorul termic în modul de propulsie electric și ce componentă facilitează această pornire?

10. Cum automobilul este propulsat hibrid la accelerația ușoară sau mai puternică?

11. Ce se întâmplă în regimul de frânare regenerativă în Toyota Prius și cum contribuie MG2 la acest proces?