Autoforum

/

Foto: Archiv Autoforum.cz

Málokterý jiný aspekt techniky aut je obestřen tolika nejasnostmi jako výkon a točivý moment. Tento článek dává konečně jednoznačné odpovědi.

I u elektromobilů platí stejná fyzika

Elektromobily mají díky velmi širokému rozsahu pracovních otáček elektromotoru výhodu, že se obejdou bez převodovky i spojky. Vystačí tak většinou jen s jednoduchým stálým převodem mezi motorem a hnacími hřídeli kol. Charakteristika používaných synchronních i asynchronních elektromotorů obvykle vypadá tak, že od nuly do přibližně třetiny celkového rozsahu otáček pracují v režimu konstantního maximálního momentu, ve zmíněné třetině dosáhnou maxima výkonu a pak již moment až do nejvyšších otáček postupně klesá při konstantním nebo mírně klesajícím výkonu.

Graf průběhu výkonu a točivého momentu elektromotoru Renaultu Fluence ZE

Praktickým důsledkem je, že v nízkých rychlostech má auto nejvyšší tažnou sílu i zrychlení a poměrně rychle dosáhne maxima výkonu, které si pak s nějakou tolerancí drží až do nejvyšších rychlostí. Vícestupňová převodovka je v takovém případě zbytečná, protože otáčkové pásmo vysokého výkonu je velmi široké a v jeho rámci už žádná změna převodu okamžitý výkon motoru nezvýší. A jak už víme, pro dynamiku auta je rozhodující výhradně výkon.

Graf průběhu výkonu a točivého momentu elektromotoru Nissanu Leaf

Přesto se občas objevují konstrukce elektromobilu s vícestupňovou převodovku, jejich přínos ale bývá diskutabilní. Přesun pracovního režimu elektromotoru do jiných otáček sice neovlivní při vyšších rychlostech dynamiku auta, ovšem otáčky a pracovní režim mají vliv na účinnost elektromotoru, která může kolísat v jednotkách až desítkách procent. Je proto otázkou, zda je výhodnější poněkud ztrátová, ale zároveň jednodušší lehká konstrukce s jedním pevným převodem, nebo složitější a těžší řešení s několikastupňovou převodovkou. Výrobci v naprosté většině preferují první alternativu a ušetřenou hmotnost a náklady raději investují do vyššího dimenzování elektromotoru a větší kapacity akumulátorů.

Z dříve vedených souvislostí také vyplývá, že není možné posuzovat ani odhadovat dynamiku elektromobilů na základě hodnot točivých momentů jejich elektromotorů. Motor s větším momentem se bude při daném výkonu točit pomaleji než stejně výkonný motor s menším momentem a pokud má auto fungovat v nějakém rozsahu rychlostí, je nutné rozdíl otáček kompenzovat rychlejším tj. těžším stálým převodem. Tj. ve výsledku se vše srovná a oba motory vyjdou prakticky nastejno. Pro upřesnění - v případě většího, tj. pomalejšího zpřevodování by dynamika mohla být částečně lepší, hnací síla na kolech by se však zvýšila pouze v nízkých rychlostech, kdy je moment elektromotoru konstantní. V oblasti plného výkonu by již nebyl přínos žádný a navíc by došlo ke snížení maximální rychlosti auta.

Točivý moment je proto u elektromobilů poměrně podružným údajem, ze kterého snad jen odhadneme, zda použitý elektromotor je nízko- nebo vysokootáčkový. Kvůli marketingově líbivým vysokým hodnotám bývá jeho význam občas nekriticky přeceňován, ale o skutečné dynamice auta nám bez dalších informací například o zpřevodování neřekne téměř nic. Opět tedy docházíme k závěru, že i pro elektromobily je rozhodující výhradně výkon.

Někdy se také setkáme s laickým názorem, že elektromotor si v elektromobilu udrží plný moment v celém rozsahu otáček. V kontextu výše uvedeného je zřejmé, že se jedná o nesmysl. Motor by v takovém případě dosáhl maximální výkon až v nejvyšších otáčkách a při nižších rychlostech by byl relativně slabý a výrazně by klesala dynamika. Realita je jiná, i u Tesly.

Graf průběhu výkonu a točivého momentu elektromotoru Tesly Model S v různých verzích

A jak to vypadá, když je v autě více motorů?

S nástupem elektrifikace přibývá aut, která nespoléhají na jediný motor, ale mají pohonných jednotek více. Obvykle se jedná o spolupráci spalovacího motoru s elektromotory u hybridních aut, případně spolupráci jen elektromotorů v případě čistých elektromobilů. Jejich výkony i momenty se tedy nějak vzájemně kombinují. Jak ale zjistíme celkový výkon nebo celkový točivý moment?

U výkonu je situace ještě celkem jednoduchá. Protože se hodnota výkonu v průběhu hnacího řetězce nemění jak jsem si už ukázali, lze okamžité výkony všech motorů jednoduše aritmeticky sčítat. Zásadně odlišné je to ovšem u točivého momentu.

Vzhledem k faktu že moment je vždy vázán ke konkrétní hřídeli a v převodech v průběhu hnacího řetězce se jeho hodnota výrazně mění, lze jednoduše sečíst pouze momenty dvou nebo více motorů spojených jedinou společnou hřídelí. Ve všech ostatních případech momenty více motorů buď nelze sčítat vůbec, nebo jen omezeně s respektováním jejich vzájemné vazby. Příkladem motorů spojených jedinou pevnou hřídelí je konstrukční uspořádání, kdy je elektromotor vložen mezi spalovací motor a převodovku a při pevném spojení příslušné spojky se oba motory otáčejí společně. Hodnota jejich celkového točivého momentu je pak skutečně součtem dílčích momentů obou motorů a tento součtový moment fyzicky působí na vstupní hřídel převodovky.

Takto to vypadá, když jsou oba motory uloženy za sebou a pohánějí společnou hřídel

Příkladem je Audi Q5 Quattro hybrid nebo Volkswagen Golf/Passat GTE. Ovšem i při pevném spojení dvou motorů může být celkový moment v praxi nižší než by odpovídalo součtu maxim obou motorů. Příčinou bývá, že jejich maxima se otáčkově nekryjí, případně existují jiná technická omezení konkrétního auta.

Pokud budou dva motory spojené přes nějaký pevný převod, je situace složitější, ale stále ještě řešitelná. Jejich momenty je možno za určitých podmínek sečíst také, ovšem už ne triviálně aritmeticky, ale vždy se zahrnutím vlivu převodu a s určením konkrétní hřídele, které se hodnota součtového momentu týká.

Pokud budou například v autě dva motory se shodným momentem 100 Nm spojené převodem s poměrem 1:3 a budeme chtít zjistit jejich součtové působení na hřídeli druhého motoru, musíme nejprve moment prvního motoru vynásobit třemi. Tím převedeme jeho působení na hřídel druhého motoru a teprve pak můžeme sečíst obě hodnoty. Na hřídeli druhého motoru bychom tedy naměřili celkem 400 Nm (100 x 3 + 100 = 400 Nm). A opačně, pokud bychom součtový moment měřili na hřídeli prvního motoru, zjistíme jen 133 Nm (100 + 100/3). Vždy je tedy nutné mít na zřeteli, ke které hřídeli se součtová hodnota vztahuje.

Takto to vypadá, když jsou oba motory spojeny alespoň pevným převodem

Příkladem takového uspořádání je třeba složitý systém Koenigseggu Regera, kde je na jedné hřídeli podélně uložený spalovací motor a jeden elektromotor. Jejich momenty lze tedy aritmeticky sečíst, pouze je nutno vzít v úvahu jejich okamžité hodnoty v závislosti na otáčkách. Dále je už ovšem pohon složitější, oba motory společně přes stálý pravoúhlý převod s poměrem 1 : 2,85 pohánějí zadní kola. Každé zadní kolo má ale k dispozici navíc ještě další příčně uložený elektromotor, který přes vlastní převod navyšuje moment svého kola. Zde tedy již nelze mluvit o nějakém součtovém momentu obecně, ale je nutné přesně určit hřídel, ke které se bude součet vztahovat a působení dílčích momentů jednotlivých motorů k té hřídeli přepočítat se zahrnutím vlivu jejich konkrétních převodových poměrů.

Technické řešení Koenigseggu Regera je pozoruhodné, jeho komplikovanost ale zjevně svedla PR automobilky k prezentaci zavádějících údajů

Přestože popsané souvislosti nejsou až tak složité, PR pracovníci poskytující parametry Regery je zcela přehlížejí. Takže prezentovaný údaj o 2 000 Nm momentu Regery je bez bližší specifikace naprosto irelevantní a slouží nejspíše jen k ohromení laických čtenářů.

A poslední poměrně běžný případ je, že motory pracují zcela nezávisle. Například vpředu umístěný spalovací pohání přes svou převodovku přední kola a vzadu umístěný elektromotor pohání přes vlastní převod zadní kola. Otáčky obou motorů nejsou nijak synchronizovány a neexistuje v autě žádná společná hřídel, na které by se otáčivé účinky obou motorů mohly relevantně zkombinovat. V takovém případě tedy nelze momenty motorů sčítat vůbec a je nutno je uvádět pro každý motor samostatně. Příkladem takového uspořádání je systém Peugeot HYbrid4, Mitsubishi Outlander PHEV, které má dokonce tři motory, nebo Tesla Model S P90D.

Mitsubishi Outlander PHEV má tři motory. Hovořit v jeho případě o konkrétním kombinovaném maximu točivého momentu je nesmysl

Pochopení základních souvislostí při spolupráci více motorů bývá bohužel nad síly téměř všech motoristických redaktorů a často i odborných PR pracovníků automobilek. U hybridních i dvoumotorových elektrických aut pak běžně uvádějí nějaké „kombinované“ momenty, na které přišli kupeckým součtem hodnot jednotlivých motorů, aniž by tušili, jaký nesmysl vůbec prezentují. Čest výjimkám.

Tento článek se pokusil jasně, byť nevyhnutelně komplikovanější cestou popsat vztahy mezi výkonem a točivým momentem automobilu a na jejich základě konstatovat jednoznačné závěry v případě jejich vlivu na dynamiku i charakter vozu. A nevyhnul se této problematice ani v případě relativně nově se rozšiřujících elektromobilů a hybridů. Věříme, že s jeho znalostí budete zase o něco snáze odolávat snahám některých automobilek a novinářů vodit vás za nos a ohromovat vás něčím, co vás může nechat chladným. Podobně jako v případě systémů pohonu všech kol...

Ivo Nový