موتورهای درون‌چرخ در برابر محورهای برقی یکپارچه: بده‌بستان‌هایی که معماری پیشرانه خودروهای الکتریکی را تعیین می‌کنند

محدودیت الزام‌آور سیستم تعلیق خودرو، نیاز به حفظ تماس محکم سطح تایر با آسفالت است. برای اینکه یک کمک‌فنر بتواند چرخ را روی زمین‌های ناهموار به طور موثری کنترل کند، مجموعه چرخ باید نسبتاً سبک باقی بماند. اگر جرم چرخ از توانایی سیستم تعلیق برای بازگرداندن آن به پایین پس از یک ضربه فراتر رود، تایر تماس خود را با جاده از دست می‌دهد و هم چسبندگی و هم کیفیت سواری از بین می‌رود.

برای یک قرن، این محدودیت فیزیکی یک معماری واحد را برای پیشرانه دیکته می‌کرد. واحد محرکه سنگین - چه یک موتور احتراق داخلی و چه یک موتور الکتریکی مرکزی - باید مستقیماً روی شاسی نصب می‌شد. با نگه داشتن این جرم به صورت «فنربندی‌شده»، مهندسان آن را از حرکات عمودی شدید چرخ‌ها جدا کرده و نیرو را از طریق شبکه‌ای از دیفرانسیل‌ها، پلوس‌ها و اتصالات سرعت ثابت به بیرون هدایت می‌کردند.

گذار به خودروهای الکتریکی این مدل متمرکز را به چالش کشید. از آنجا که موتورهای الکتریکی را می‌توان تا قطر یک دیسک ترمز کوچک کرد، مهندسان دریافتند که می‌توانند سیستم پیشرانه را به طور کامل از شاسی خارج کنند. با قرار دادن یک موتور مستقیماً در داخل هر توپی چرخ، واسطه‌های مکانیکی قابل حذف بودند.

این معماری موتور درون‌چرخ، مزایای فوری در زمینه جانمایی قطعات ارائه می‌دهد. حذف محور برقی مرکزی، فضای بین چرخ‌ها را آزاد می‌کند و به خودروسازان اجازه می‌دهد بسته‌های باتری بزرگ‌تری نصب کنند، کف کابین را پایین بیاورند یا اشکال آیرودینامیک نوآورانه‌ای طراحی کنند. خودروی لایت‌یر ۰ (Lightyear 0) مدل ۲۰۲۲، یک وسیله نقلیه بسیار کارآمد با کمک انرژی خورشیدی، به طور خاص از موتورهای درون‌چرخ استفاده کرد تا مقاومت مکانیکی اتصالات انتقال قدرت را حذف کرده و انرژی محدود خورشیدی خود را به حداکثر برساند.

علاوه بر این، قرار دادن موتور در توپی چرخ اساساً نحوه مدیریت کشش در خودرو را تغییر می‌دهد. از آنجا که شار مغناطیسی مستقیماً روی چرخ عمل می‌کند، انتقال گشتاور تقریباً آنی است. گورازد گوتوواک (Gorazd Gotovac)، مدیر ارشد فناوری در شرکت الافه (Elaphe)، خاطرنشان می‌کند که موتورهای درون‌چرخ آن‌ها می‌توانند گشتاور کامل را تنها در ۴ میلی‌ثانیه ارائه دهند.[2]

این زمان پاسخ‌دهی تقریباً ۲۰ برابر سریع‌تر از یک سیستم محور برقی داخلی متداول است. این کنترل در سطح میلی‌ثانیه، توزیع گشتاور واقعی را امکان‌پذیر می‌سازد و به نرم‌افزار خودرو اجازه می‌دهد تا برای چرخاندن شاسی، چرخ‌های منفرد را به طور مستقل شتاب داده یا ترمز کند. در تئوری، این دقت می‌تواند به طور کامل جایگزین میل موج‌گیرهای مکانیکی و سیستم‌های کنترل پایداری شود.[2]

با این حال، انتقال موتور به داخل چرخ، محدودیت الزام‌آور سیستم تعلیق را نقض می‌کند. این کار جرم فنربندی‌نشده قابل‌توجهی را به هر گوشه اضافه می‌کند. یک موتور درون‌چرخ مدرن، مانند دیپ‌درایو آی‌دبلیو ۲۰۰۰ (DeepDrive IW 2000)، ۳۴ کیلوگرم وزن دارد. واحد پی‌دی۱۸ نسل ۵ (PD18 Gen 5) شرکت پروتین الکتریک (Protean Electric) نیز وزن مشابه ۳۶ کیلوگرم را به هر چرخ اضافه می‌کند.[1]

هنگامی که چرخی با ۳۴ کیلوگرم وزن بیشتر به یک چاله برخورد می‌کند، انرژی جنبشی رو به بالای بسیار بیشتری تولید می‌کند. کمک‌فنرهای غیرفعال در یک خودروی سواری استاندارد برای متوقف کردن این حرکت شدید دچار مشکل می‌شوند. نتیجه این امر، یک سواری خشن و پرش‌دار و از دست دادن لحظه‌ای کشش روی سطوح ناهموار است.[1]

برای جبران چرخ‌های سنگین‌تر، سازندگان باید قطعات سیستم تعلیق را سفت‌تر کرده و نرخ میرایی را افزایش دهند. اگرچه این کار تایر را روی جاده نگه می‌دارد، اما بخش بیشتری از نیروی ضربه را مستقیماً به داخل کابین منتقل کرده و راحتی مسافران را به خطر می‌اندازد.

شدت این بده‌بستان کاملاً به جرم پایه خودرو بستگی دارد. در یک وسیله نقلیه تجاری سنگین، نسبت جرم فنربندی‌شده به فنربندی‌نشده از قبل به اندازه‌ای بالا هست که بتواند این جریمه را جذب کند. پیکاپ الکتریکی لردزتاون اندورنس (Lordstown Endurance) مدل ۲۰۲۳ با وزن ۲۹۴۸ کیلوگرم، از چهار موتور توپی الافه استفاده کرد که در مجموع ۴۴۰ اسب بخار قدرت تولید می‌کردند.[3]

از آنجا که اندورنس یک بسته باتری عظیم ۱۰۹ کیلووات‌ساعتی را روی شاسی خود حمل می‌کرد، جرم سنگین فنربندی‌شده به طور موثری چرخ‌های سنگین را پنهان می‌کرد. پل آیزنشتاین (Paul Eisenstein)، روزنامه‌نگار خودرو، در بررسی این پیکاپ مشاهده کرد: «موتورهای توپی به وضوح مقداری جرم فنربندی‌نشده اضافه می‌کنند. اما سواری این پیکاپ به هیچ وجه آن‌قدر که انتظار داشتم خشن نبود.»[3]

با این حال، برای خودروهای سواری سبک‌تر، معادلات ریاضی همچنان بی‌رحمانه است. جریمه جرم فنربندی‌نشده برای سیستم‌های تعلیق غیرفعال بسیار شدیدتر از آن است که بتوانند بدون از بین بردن کیفیت سواری، آن را پنهان کنند. این واقعیت فیزیکی توضیح می‌دهد که چرا صنعت خودرو رویکرد خود را در قبال پیشرانه خودروهای الکتریکی تا حد زیادی به دو شاخه تقسیم کرده است.

پارادایم غالب برای خودروهای سواری بازار انبوه، همچنان محور برقی یکپارچه است. در این معماری، موتور الکتریکی، اینورتر و چرخ‌دنده کاهنده در یک محفظه واحد که روی خط مرکزی خودرو نصب شده، در کنار هم قرار می‌گیرند.

محورهای برقی قطعات سنگین را فنربندی‌شده نگه می‌دارند و تعادل ظریف دینامیک سیستم تعلیق خودروی سواری را حفظ می‌کنند. آن‌ها همچنین قطعات الکترونیکی حساس ولتاژ بالا را از محیط خشن داخل محفظه چرخ دور نگه داشته و از آن‌ها در برابر ضربات مستقیم جاده، غوطه‌ور شدن در آب و گرد و غبار ساینده ترمز محافظت می‌کنند.

سازندگان به طور مداوم در حال بهینه‌سازی محور برقی مرکزی برای کاهش اندازه و هزینه آن هستند. به عنوان مثال، دیپ‌درایو یک موتور شار شعاعی با روتور دوگانه توسعه داده است که می‌تواند به صورت مرکزی استفاده شود. یانیک اشتاملر (Jannik Stammler)، متخصص مهندسی در این شرکت، توضیح می‌دهد: «ما استفاده از ورق فلزی، مس، فولاد و آهنربا را به حداقل رسانده‌ایم که نه تنها وزن را کاهش می‌دهد، بلکه هزینه را نیز پایین می‌آورد.»[1]

اگرچه محورهای برقی یک تاخیر مکانیکی جزئی ایجاد می‌کنند و فضای مرکزی را اشغال می‌کنند، اما ایمن‌ترین و راحت‌ترین مصالحه را برای رانندگی روزمره ارائه می‌دهند. اتصالات مکانیکی یک کمیت شناخته‌شده هستند و تنظیم سیستم تعلیق نیازی به اختراع مجدد و رادیکال ندارد.

در همین حال، موتورهای درون‌چرخ در حال یافتن جایگاه خود در کاربردهای تخصصی هستند. فراتر از کامیون‌های سنگین، آن‌ها برای خودروهای با عملکرد بالا که در آن‌ها سیستم‌های تعلیق فعال می‌توانند جرم فنربندی‌نشده را مدیریت کنند و توزیع گشتاور در سطح میلی‌ثانیه مزیت رقابتی در پیست فراهم می‌کند، به کار گرفته می‌شوند.

رنو اعلام کرده است که مدل آینده ۵ توربو ۳ای (5 Turbo 3E) که برای سال ۲۰۲۶ برنامه‌ریزی شده، از موتورهای درون‌چرخ پروتین برای ارائه ۵۵۰ اسب بخار قدرت به چرخ‌های عقب استفاده خواهد کرد. این خودرو برای جبران وزن توپی چرخ، بر تنظیمات سفت‌تر سیستم تعلیق تکیه می‌کند و هندلینگ تهاجمی را بر راحتی روزمره ترجیح می‌دهد.

این معماری همچنین مزایای منحصربه‌فردی برای ارتقای پلتفرم‌های قدیمی‌تر ارائه می‌دهد. گوتوواک توضیح می‌دهد: «اگر خودرویی دارید که مهندسی شده و تست تصادف را گذرانده است و می‌خواهید آن را هیبریدی کنید، باید تمام تست‌های تصادف را دوباره انجام دهید.» از آنجا که موتورهای درون‌چرخ نیازی به بلوک پیشرانه مرکزی ندارند، می‌توان آن‌ها را بدون تغییر ساختارهای اولیه تصادف خودرو اضافه کرد.[2]

معماری پیشرانه در دهه آینده توسط یک برنده واحد تعریف نخواهد شد، بلکه با پایبندی دقیق به قوانین فیزیک مشخص می‌شود. تا زمانی که سیستم‌های تعلیق فعال و پیش‌بینانه برای خودروهای بازار انبوه به اندازه کافی ارزان شوند، یا توپولوژی‌های موتور ۱۵ کیلوگرم دیگر از وزن هر گوشه کم کنند، بار سنگین همچنان بر دوش شاسی باقی خواهد ماند.