Moment obrotowy, a elektromobilność

 

Moment obrotowy w ruchu obrotowym jest tym, czym Siła w ruchu postępowym. Moment więc podlega podobnym zasadom fizyki jak Siła, a w tym na przykład wykonuje pracę działając na określonym przesunięciu kątowym, tak jak Siła wykonuje pracę działając na określonej drodze liniowej.

 

Podobnie jak przy pracy Siły na określonej drodze, pojawia się tarcie, działające zawsze w kierunku przeciwnym do ruchu, co zmniejsza efektywną wartość Siły, tak również przy pracy Momentu obrotowego, powstaje tarcie w wyniku którego efektywny Moment ulega zmniejszeniu.

 

Za pomocą dźwigni możemy dokonać przełożenia wartości Siły (zmniejszyć ją lub zwiększyć), a za pomocą skrzyni biegów możemy dokonać przełożenia wartości Momentu obrotowego. Oczywiście w obu przypadkach, wraz z wymienionymi, podlegają przełożeniu także parametry przestrzenno-czasowe związane z ruchem.

 

Moment obrotowy (w fizyce znany jako moment siły) jest wartością wektorową podawaną w niutonometrach (Nm). Dla porównania energię (pracę), będącą wielkością skalarną, podaje się w dżulach (J), mimo że dżul to także niuton pomnożony przez metr. Nie chcąc zbytnio gmatwać sprawy, spróbujmy ją raczej uprościć. Jeśli odniesiemy się do pojazdu o określonym, stałym promieniu kół jezdnych, możemy uznać, że wartość Momentu obrotowego na kole jezdnym pojazdu, czyli Momentu silnika po ewentualnym przełożeniu w skrzyni biegów, po kolejnym ewentualnym rozdzieleniu na 2 lub na 4 koła, i po stratach po drodze na tarcie, podana w niutonometrach (Nm), podzielona przez podaną w metrach (m) wartość promienia koła jezdnego, da w rezultacie wartość występującej w niutonach (N) siły z jaką opona pojazdu odpycha się od podłoża. Także wartość prędkości kątowej ruchu obrotowego tego koła, to nic innego jak w rezultacie wartość prędkości liniowej z jaką powierzchnia opony toczy się po drodze, czyli z jaką pojazd się porusza. Te dwie wartości, a więc wartość siły stycznej do powierzchni opony i prędkości tej powierzchni, pomnożone przez siebie, dają wartość mocy, z jaką koło, odpychając się od podłoża, napędza pojazd. W jednostkach SI: 1N * 1m/s = 1J/s = 1W. W pojeździe elektrycznym (EV), najczęściej są to tysiące watów, czyli kilowaty (kW), nawet gdy moc dotyczy jednego koła pojazdu. Zresztą coraz częściej w EV przeznacza się osobny silnik elektryczny na każde napędowe koło pojazdu.

 

Oczywiście, najłatwiej jest dziś zbudować EV, zastępując w pojeździe spalinowym, silnik wraz ze skrzynią biegów, silnikiem elektrycznym z akumulatorem. W ten sposób niewiele ingerując w dotychczasową konstrukcję pojazdu, uzyskujemy pojazd zasilany elektrycznie. Jakież jednak nowe możliwości pojawiają się, gdy nie pójdziemy na łatwiznę, bezmyślnie adaptując pojazd spalinowy do funkcji elektrycznej? Zapewne za kilka lat, gdy już wszyscy producenci EV na świecie, nauczą się, choćby od Polaków, jednych z lepszych programistów świata, stosować algorytmy, co najmniej zastępujące mechanizm różnicowy, dyferencjałem elektronicznym , możliwe stanie się masowe, zastosowanie dla każdego napędowego koła pojazdu, osobnego silnika elektrycznego, w czasie rzeczywistym sterowalnego w zakresie zarówno wartości momentu przy hamowaniu (z odzyskiwaniem energii), jak i momentu przy napędzie.

 

Jakże wiele całkiem nowych funkcji, oprócz wspomnianego dyferencjału, a także oprócz funkcji realizowanych dziś głównie za pomocą niezależnego w każdym kole sterowania hamulcami, jak ABS, czy współczesna namiastka kontroli trakcji, można będzie uzyskać, powierzając ich urzeczywistnienie, zaawansowanym algorytmom sterującym osobnymi silnikami przeznaczonymi dla każdego koła pojazdu? Z całą pewnością pojawią się nowe możliwości, nieosiągalne w pojeździe spalinowym, lub w EV wyposażonym w jeden silnik.

 

Silnik spalinowy ma taką charakterystykę jaką ma. Duży moment obrotowy osiąga przy określonych, średnich własnych obrotach, więc staramy się mu dogodzić. Musimy sprawić, aby przy wszelkich naszych potrzebach dotyczących szybkości z jaką opona odpycha się od drogi (a więc dotyczących szybkości poruszania się pojazdu), silnik pracował w średnich wartościach prędkości obrotowej, a więc dawał dużą siłę odpychania się opony koła jezdnego od drogi. Skrzynia biegów w silniku spalinowym potrzebna jest właśnie po to, żeby silnik mógł pracować w obszarze średnich obrotów, a więc aby wystarczająco duży moment silnik mógł generować zarówno przy małych wartościach obrotów kół pojazdu (przy ruszaniu z miejsca, lub podczas jazdy pod stromą górę), jak i przy innych, większych wartościach obrotu kół, gdy także potrzebna jest duża siła odpychania się opony od podłoża. Silnik wszakże rozpędza pojazd pokonując jego bezwładność, a dodatkowo pokonuje rosnący wraz z kwadratem prędkości opór powietrza, który w końcu jako jedyny, oczywiście oprócz wszechobecnego tarcia, pozostaje podczas jazdy jednostajnej po poziomym podłożu.

 

Silniki elektryczne używane do napędu EV mają zupełnie inną charakterystykę niż silniki spalinowe, wobec czego nie wymagają skrzyni biegów, a być może jedynie reduktora prędkości obrotowej o stałym przełożeniu. Taki silnik elektryczny już od najniższych obrotów wykazuje duży moment obrotowy, a więc przy starcie lub powolnej jeździe może wystąpić tu duża siła, z jaką opona koła jezdnego odpycha się od podłoża. Jeśli więc opony wykazują wystarczająco dużą przyczepność do jezdni (duży współczynnik tarcia), i równocześnie nacisk na oś napędową jest wystarczająco duży, EV bez poślizgu opon, czy sprzęgła (które jest tu zbyteczne), może bardzo sprawnie przyspieszać po starcie, lub „przeciągać linę” z dużą siłą. W miarę wzrostu obrotów silnika elektrycznego, jego Moment nieco maleje, ale nie na tyle, żeby nie pokonać wzrastającego wraz z szybkością EV, oporu powietrza. Tylko dzięki elektromobilności, zwykły Kowalski, jest w stanie być właścicielem sprzętu, który w ciągu 3 sekund osiąga „setkę” i nie jest to waga łazienkowa. Jedynie zbyt małym współczynnikiem wiążącym możliwość zmagazynowania w akumulatorze energii, z jego masą czy też objętością, możemy tłumaczyć tak późny rozwój EV, bo sięgający dopiero końca 20. wieku, mimo że 100 lat wcześniej, w ostatnim roku 19. wieku, EV był pierwszym na świecie pojazdem, który przekroczył prędkość 100 km/h.

 

Silniki elektryczne są po prostu stworzona do napędu pojazdów. Ich charakterystyka jest bardzo przyjazna elektromobilności , a silnik elektryczny jest szczególnie lubiany przez kierowców ceniących „kopa” na starcie. W tych warunkach pracy, silnik elektryczny zapewnia wyjątkowo duży moment obrotowy, a więc dużą moc, często wielokrotnie przekraczającą moc analogicznego pojazdu spalinowego. Problemem EV może teraz stać się obrót opon na felgach, i to nie tylko przy „awaryjnym hamowaniu”, ale także w przeciwnym kierunku, szczególnie w sytuacji gdy „pomysłowy” wulkanizator niewłaściwie nasmarował ich ranty, aby ułatwić sobie zakładanie.

 

statnia aktualizacja strony: 2018-04-30
strona główna