V dnešnej dobe ma študentský projekt veľký význam. Je to príležitosť študenta ukázať, že už počas štúdia vie niečo robiť a tak opúšťa školu s cennými manuálnymi zručnosťami a vedomosťami, čo firmy väčšinou očakávajú a oceňujú.
V nasledujúcom texte sa táto práca zameriava na študentský projekt, ktorého náplňou je návrh a samotná konštrukcia formuly s alternatívnym elektrickým pohonom, ktorá sa bude vyznačovať hlavne tichou a ekologickou prevádzkou.
V práci budú popísané jednotlivé časti a zariadenia, z ktorých sa celá konštrukcia skladá. Výsledkom by mal byť funkčný model formuly poháňanej elektrickým motorom.
V úvode by som ešte rád, poďakoval vedúcemu môjho študentského projektu Ing. Márii Ortutayovej za neustálu podporu, inšpiratívne rady a pripomienky, ktoré boli pre mňa cenným prínosom.
Na tomto mieste by som ďalej chcel poďakovať Ing. Zdenekovi Snitilovi a Ing. Michalovi Romanovi za ich materiálny prínos, vďaka ktorému bolo možné túto prácu zrealizovať ale aj za odborné vedenie počas celej doby práce. Taktiež sa chcem poďakovať vedeniu Strednej priemyselnej školy v Snine za vytvorenie vhodného prostredia na vzdelávanie aj takouto formou, ale aj každému, kto svojou troškou dopomohol k zrealizovaniu mojej práce.
Zvláštne poďakovanie patrí Ing. Michalovi Voharovi za finančnú podporu môjho študentského projektu .
Pri výbere rámu, ktorý bude slúžiť ako hlavný nosný prvok formuly, bol zvolený variant, ktorý najlepšie vyhovoval požiadavkám a naším súčasným možnostiam. Medzi tieto požiadavky patrili v prvom rade nízka cena a ľahká opraviteľnosť tak ako aj čo najnižšia hmotnosť a dostatočná torzná tuhosť.
Rám o celkových rozmeroch 2800x1000mm je zhotovený z uzavretých oceľových profilov valcovaných za studena s obdĺžnikovým prierezom a rozmermi 20x40mm. Tieto profily majú oproti trubkovému rámu či už z ocele alebo hliníka pomerne vyššiu hmotnosť a však sú konštrukčne najjednoduchším riešením čo sa týka samotnej konštrukcie alebo rôznych výpočtov pevnosti a tuhostí. Taktiež sa vyznačujú dobrou a ľahkou zvariteľnosťou, vďaka čomu je práca s nimi pomerne jednoduchá a tak mohol byť vytvorený rám, ktorý spĺňal väčšinu z hore uvedených požiadaviek.
Rám sa vo svojej podstate skladá zo štyroch základných časti. Prvá z nich slúži na upevnenie prednej nápravy a radenia, ktorá pokračuje do druhej časti rámu slúžiacej ako miesto pre vodiča, volant pedále a iné... Hneď vedľa sa nachádza miesto pre trakčnú batériu akumulátorov čo je tretia časť rámovej konštrukcie. Za ňou nasleduje štvrtá a posledná časť rámu slúžiaca na upevnenie pohonnej jednotky a kompletnej viacprvkovej zadnej nápravy.
Navrhovanie vlastnej nápravy je zdĺhavý a hlavne náročný technologický proces, ktorý si vyžaduje značné znalosti z danej oblasti a hlavne veľké množstvo finančných prostriedkov. Tak ako je obmedzený môj finančný rozpočet sú aj moje vedomosti z tejto oblasti nepostačujúce a preto sa základom pre obe nápravy stali diely z osobného automobilu
Škoda 120.
Zadná hnacia viacprvková náprava je navrhnutá a skonštruovaná z veľkej časti mnou. Sú na nej použité poloosi zo Škody 120, ktoré však museli byť upravované a kombinované s poloosami zo Škody 1203, pretože použitý diferenciál je práve z tohto automobilu. Dve ramená na každej strane upevnené k hlavnému rámu bránia poloosám vo vertikálnom pohybe avšak dovoľujú pohyb horizontálny, ktorý je z hora tlmený pružinou.
Na brzdenie formuly sa využívajú zadné bubnové brzdy.
Predná náprava vďaka svojej vyhovujúcej konštrukcii je použitá celá zo Škody 120, čo ušetrilo veľa hodín práce a námahy. Jej veľká výhoda bola, že náprava obsahovala hneď aj hrebeňové riadenie, ktoré stačilo priviesť pomocou 3 kĺbikov a hriadeli riadenia k volantu.
Tak ako je to u zadnej nápravy, tak aj v prednej náprave sa využívajú brzdy na brzdenie formuly.
Obe nápravy sú obuté na gumách R13.
Karoséria nepredstavuje len kusy poohýbaného plechu. V porovnaní s bežným automobilom spĺňa viacero funkcií a jej súčasťou je množstvo krídel, či chladiacich otvorov pre správne prúdenie vzduchu a chladenie pohonných častí formuly.
Týmito prvkami sa dosahuje nízky odpor vzduchu, ktorý je potrebný pre dosiahnutie vyššej konštrukčnej rýchlosti.
Základnou funkciou karosérie je zakryť všetky vnútorné časti, pretože od tohto krytia bude závisieť aj aerodynamická efektívnosť formuly. Práve aerodynamika je hlavnou prioritou pri stavbe takejto karosérie.
Karoséria formuly musí spĺňať viacero požiadaviek, tými najdôležitejšími sú však nízka hmotnosť, nízky odpor vzduchu a vysoká pevnosť pretože čelí veľkej námahe.
Na zhotovenie karosérie som použil pozinkovaný plech o hrúbke 0,5mm. Pred samotnou stavbou karosérie som najprv vytvorili približnú maketu s použitím kartónu, ktorá slúžila ako predloha pre plechovú karosériu. Následne bolo nutné vytvoriť dodatočnú konštrukciu pre uchytenie plechovej karosérie a prispôsobenie tvaru.
Potom som mohol vytvarovať plech pomocou ohýbačky do požadovaného tvaru, ktorý som získal z vopred pripravenej kartónovej predlohy.
Karoséria je v konečnom dôsledku dostatočne pevná a pomerne ľahká, čo sú presne tie vlastnosti ktoré som potrebovali dosiahnuť.
Ako už z názvu vyplýva jedná sa o formulu s elektrickým pohonom, preto je správna voľba trakčného elektromotora nevyhnutnou častou celej konštrukcie.
Dnešný trh ponuka nespočetné množstvo rôznych motorov, ktoré by spĺňali požiadavky na pohon, či už sa jedná o motor synchrónny alebo asynchrónny, napájaný jednosmerným alebo striedavým napätím, chladený vodou, olejom či v neposlednom rade vzduchom.
Technológia týchto motorov je v dnešnej dobe na veľmi vysokej úrovni vďaka čomu majú tieto motory veľa kladov avšak tato skutočnosť vytvára najväčší mínus na strane záporných vlastností a tým je cena jednotlivých motorov.
Značne obmedzený rozpočet projektu a vysoká cena týchto trakčných motorov vyvrcholili do situácie, že kúpa takého to motora bola nemožná, a tak ako v mnoho iných prípadoch neostávalo nič iné ako zapojiť vlastnú hlavu, zručnosti, vedomosti a takýto motor skonštruovať doma.
Po nekonečných hodinách štúdie rôznej literatúry a kníh padla voľba na rotačný jednosmerný elektromotor zapojený do série.
Sériový elektromotor má budiace vinutie zapojenie do série s vinutím kotvy, vďaka čomu je jeho prirodzená charakteristika podobná hyperbole s vodorovnou asymptotou pod osou X, čo znamená že motor dosahuje maximálny točivý moment prakticky v nulových otáčkach a postupným zvyšovaním otáčok točivý moment klesá až k nule.
Obr.1 : Zaťažovacia a otáčková charakteristika motora so sériovým budením
Samotná konštrukcia motora vychádza z ruského derivačného tankového dynama vojenskej výroby ( 3kW 28V ) ktoré som previnul na jednosmerný trakčný elektromotor.
Premyslená úprava v sebe zahrnovala celkovú demontáž, pri ktorej boli pôvodné statorové cievky navinuté drôtom s prierezom 0,75mm2 nahradené medenou pásovinou s prierezom 30mm2. Takto boli upravené všetky 4 statorové cievky každá o celkovom počte závitov n=8.
Vďaka tomu že konštrukcia motora pôvodne vychádza z dynama, na rotore neboli potrebné žiadne úpravy. Rotor dynama bol od výroby taktiež navinutý medenou pásovinou prierezu 30mm2 pretože prúd u dynama dodával práve rotor.
Ďalšie úpravy zahrnovali vytvorenie vývodov pre napájanie. Rotor aj stator musí byť vyvedený samostatne, aby sa prostredníctvom výkonových spínacích prvkov dal určovať smer otáčania motora doľava alebo doprava čiže reverzácia alebo brzdenie motorom takzvaná rekuperácia.
Takouto úpravou vznikom motor s výkonom cca 10 kW a napájaní 72V jednosmerných .
Pri výbere a riešení prevodovky som do značnej miery prihliadal na nie celkom technicky dokonale riešený rám, ktorý disponoval hlavne značnou hmotnosťou, ale aj na hmotnosť vodiča, akumulátorov a ďalších nevyhnutných častí. Preto použiť rozmerovo veľkú, ale hlavne ťažkú viacstupňovú prevodovku, ktorá by celku pridala rapídne na hmotnosti a veľkosti nebolo najlepším riešením, ani z hľadiska použitého motora.
Daný problém bol vyriešený skonštruovaním pohonnej jednotky ako celku, ktorý spolu tvorí jednostupňovú prevodovku ktorej prevodový pomer je 9:1.
Vyššie spomínaná jednotka sa skladá z ozubeného remeňového prevodu, ktorý prenáša výkon z motora na vstupnú hriadeľ diferenciálu ( prevod 3:1 ) kde sa nasledovne na súkolesí stáleho prevodu ( výkon je prenášaný z pastorku na tanierové koleso ) vytvára ďalší prevod a to 6:1 .
Všetky komponenty pohonnej jednotky sú uložené a pripevnené k malému pomocnému rámu, ktorý je nasledovne pripevnený k hlavnému nosnému rámu. Vďaka tomu sa dá rýchlo a jednoducho zasiahnuť do všetkých častí a vykonať napr. nutnú údržbu alebo opravu.
Tak ako v sériovo vyrábaných elektromobiloch sú jednou z hlavných častí elektrickej formuly akumulátory slúžiace na opakované uschovanie elektrickej energie.
Tieto akumulátory sú však svojou cenou a parametrami do značnej mieri obmedzujúcou častou celej konštrukcie, pretože benzín obsahuje 11kWh energie na kilogram zatiaľ čo olovený akumulátor asi len 40Wh/kg čo znamená, že liter benzínu obsahuje asi 257x viac energie než dokáže uschovať bežný olovený akumulátor. Tieto hodnoty jednoznačne vravia prečo je tak ťažké konkurovať spaľovacím motorom.
V súčasnosti sa však do popredia dostavajú Lithium-iontové akumulátory, ktoré sa vyznačujú až 3krát väčšou hustotou energie na jeden kg oproti bežným oloveným akumulátorom. Značnou nevýhodou je však cena a vyššia technická náročnosť prevádzky.
Práve vysoká cena týchto Li-ion článkov spôsobila, že ich využitie na napájanie formuly nebolo možné v rámci obmedzeného rozpočtu. Preto som musel hľadať iné finančne menej náročné riešenie napájania s prihliadnutím na požiadavky motora, ktoré vyžadovali napájacie napätie 72V a značne vysoký nominálny prúd, ktorý spôsobovala malá účinnosť doma vyrobeného trakčného motora.
Voľba padla na olovené trakčné akumulátory o napätí 12V a kapacite 110Ah. Celkovo ich je na formule použitých 6ks vďaka čomu som docielil požadované napájacie napätie 72V
a celkovú kapacitu 110Ah Výhodu je, že ich konštrukcia im umožňuje dodávať pomerne veľký prúd a sú navrhnuté pre cyklické hlboké vybíjanie čo je pre pohon elektrickej formuly nevyhnutné. Batérie sa však vyznačujú pomerne veľkou hmotnosťou.
V ďalšom vývoji pribúdajú na vozidle elektrické časti ako sú napríklad svetlá, elektronika na riadenie výkonu motora a iné. Tieto zariadenia budú taktiež napájané baterkovým napätím ktoré bude dané konštrukciou elektrického zariadenia. (12V, 24 alebo 48V. )
Pre kontrolu stavu nabitia trakčnej batérie bude vytvorený LED indikátor stavu nabitia trakčnej batérie pomocou ktorého sa bude dať kontrolovať veľkosť napätia na batérií . Bude
upevnený v tesnej blízkosti volantu aby naň mal vodič ničím nerušený výhľad.
Výsledkom mojej celoročnej práce je funkčný model formuly poháňanej doma vyrobeným jednosmerným trakčným elektromotorom.
V práci je popísaná funkčnosť jednotlivých častí a keďže na práci stále pracujem a inovujem ju, určite tam pribudnú nové prvky a zariadenia.
Počas samotnej konštrukcie sa začali objavovať mnohé mnou nečakané a nepredvídane problémy, ktoré ma naučili či už vynaliezavosti alebo technickému mysleniu.
Každopádne som pri práci na tomto projekte získal nové praktické zručnosti a vedomosti.
Obr. 1: Jednotlivé časti pohonnej jednotky ( diferenciál Škoda 1203, ozubený remeňový prevod, trakčný elektomotor)
Obr.2: Kompletná pohonná jedno
Obr.3: Navinutá cievka na vlastnoručne vyrobenej kostričke
Obr.4: Dokončený stator a pospájané statorové vinutie
Obr.5: Práca na diferenciáli
Obr.6: Práca na pohonnej jednotke
Obr.7: Hotový rám
Obr. 8: Upevnená predná náprava a dokončené riadenie
Obr.9: Práca na zadnej náprave
Obr.10: Celkový pohľad
Obr.11: Čiastočne okapotovaná predná časť, pred náterom
