ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ

Transcript

1 ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ Κ. Ν. Σπέντζας, Ν. Παντελέλης και Θ. Βρουβάκης Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών Εργαστήριο Οχηµάτων Αθήνα Τηλ , Fax Περίληψη Στην παρούσα εργασία παρουσιάζουµε µία µινιµαλιστική προσέγγιση στον σχεδιασµού των ηλεκτροκινήτων οχηµάτων µε σύνθετα υλικά. ια της αντικαταστάσεως ορισµένων υποσυστηµάτων - έκαστο των οποίων επιτελεί µία µόνο λειτουργία - µε µικρότερο αριθµό υποσυστηµάτων τα οποία επιτελούν περισσότερες της µίας λειτουργίες, επιτυγχάνουµε τον σχεδιασµό ηλεκτροκινήτου οχήµατος πολύ ελαφρύτερου των µέχρι τούδε γνωστών. Περαιτέρω µείωση του βάρους επιτυγχάνεται δια της χρήσεως συνθέτων υλικών και της πολύ προσεκτικής αναλύσεως της αντοχής του αµαξώµατος µε την µέθοδο των πεπερασµένων στοιχείων. Συνεπώς το ούτω σχεδιαζόµενο όχηµα, είναι πολύ ελαφρύτερο, έχει χαµηλότερο κόστος (διότι απαιτούνται αισθητώς ολιγότερες πρώτες ύλες για την κατασκευή του), καταναλώνει πολύ µικρότερα ποσά ενεργείας κατά την κίνησή του και έχει πολύ µεγαλύτερη αυτονοµία κινήσεως µε κάθε φόρτιση των συσσωρευτών του. Το κόστος αλλά και τα οικονοµικά στοιχεία της εκµεταλλεύσεως του ούτω σχεδιαζόµενου ηλεκτροκινήτου οχήµατος µειώνονται ακόµη περισσότερο δια της αναπτύξεως φωτοβολταϊκών στοιχείων φορτίσεως των συσσωρευτών επί όλων των οριζόντιων επιφανειών του αµαξώµατος. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα τελευταία τριάντα έτη έχει διεξαχθεί εντατική έρευνα στην βιοµηχανία και στα πανεπιστήµια και ερευνητικά κέντρα µε στόχο τον σχεδιασµό και την ανάπτυξη καλύτερων ηλεκτροκινήτων οχηµάτων αλλά και καλύτερων υποσυστηµάτων γι αυτά τα οχήµατα. Ο συνολικός σχεδιασµός των σύγχρονων ηλεκτροκινήτων οχηµάτων έχει σηµειώσει σηµαντική πρόοδο. Όµως, οι σχεδιαστικές πρακτικές που διέπουν την σχεδίαση των οχηµάτων µε θερµοκινητήρα εξακολουθούν να βαρύνουν καθοριστικά στον σχεδιασµό των ηλεκτροκινήτων οχηµάτων. Τα πλέον σύγχρονα ηλεκτροκίνητα οχήµατα της σήµερον είναι φορτωµένα µε πλήθος περιττών µηχανικών υποσυστηµάτων και εξ αιτίας αυτού εξακολουθούν να έχουν µεγάλο βάρος και µεγάλο κόστος [1]. Στοχεύοντας στον σχεδιασµό ηλεκτροκινήτων οχηµάτων πολύ ελαφρύτερων και µε χαµηλότερο κόστος παραγωγής και εκµεταλλεύσεως, παρουσιάζουµε στην συνέχεια µία µινιµαλιστική προσέγγιση στο σχεδιασµό τους. Αυτή η προσέγγιση έχει χρησιµοποιηθεί προ χιλιάδων ετών στην αρχαία ελληνική τέχνη. Τα κυκλαδικά γλυπτά αποτελούν ένα αξιοθαύµαστο παράδειγµα [2-3]. Εν τούτοις, εξ όσων γνωρίζουµε, στην τεχνολογία και ιδιαιτέρως στον σχεδιασµό ηλεκτροκινήτων οχηµάτων χρησιµοποιήθηκε για πρώτη φορά από τους Σπέντζα και Μιχαήλ [4-5]. Στην συνέχει θα συνοψίσουµε τις σχεδιαστικές αρχές, θα δώσουµε έµφαση στην χρήση προηγµένων σύνθετων υλικών για το αµάξωµα αυτών των οχηµάτων και θα παρουσιάσουµε τα πρώτα αποτελέσµατα υπολογιστικής αναλύσεως του αµαξώµατος. 2. ΜΙΝΙΜΑΛΙΣΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΣΤΟΝ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΟΥ ΟΧΗΜΑΤΟΣ Σηµείο εκκινήσεως της σχεδιαστικής προσεγγίσεώς µας αποτελεί µια προσεκτική ανάλυση σηµαντικού αριθµού ηλεκτροκινήτων οχηµάτων τα οποία ανεπτύχθησαν στο παρελθόν και έχουν συµπεριληφθεί σε µία βάση πληροφοριών η οποία έχει παρουσιασθεί στο 15 ον ιεθνές Συµπόσιο Ηλεκτροκινήτων Οχηµάτων EVS-15 [6]. Κατά την ανάλυση αυτή το ηλεκτροκίνητο όχηµα αντιµετωπίσθηκε ως σύστηµα. Αναγνωρίσθηκαν τα υποσυστήµατα τα οποία το αποτελούν και εντοπίσθηκε ο ρόλος καθ ενός εξ αυτών των υποσυστηµάτων. Εκ της αναλύσεως αυτής εξήχθη το συµπέρασµα ότι, στις περισσότερες των περιπτώσεων, τα υποσυστήµατα των υπαρχόντων ηλεκτροκινήτων οχηµάτων δεν εκπληρώνουν περισσότερους του ενός ρόλους. Τούτο οφείλεται στο γεγονός ότι ανεξάρτητοι υποκατασκευαστές, ειδικευόµενοι στη συγκεκριµένη περιοχή, αναπτύσσουν αυτόνοµα κάθε υποσύστηµα, µε συνέπεια κάθε ένα από αυτά - 1 -

2 τα ηλεκτροκίνητα οχήµατα να είναι υπερφορτωµένα µε σηµαντικό αριθµό υποσυστηµάτων τα οποία αυξάνουν το συνολικό βάρος του και µειώνουν την αυτονοµία κινήσεώς του µεταξύ διαδοχικών φορτίσεων των συσσωρευτών του. Εφαρµόσαµε στον σχεδιασµό ηλεκτροκινήτων οχηµάτων την µινιµαλιστική αρχή διότι είµαστε πεπεισµένοι ότι ήταν εφικτός ο περιορισµός του µεγάλου αριθµού υποσυστηµάτων και προχωρήσαµε στην ανάπτυξη ηλεκτροκινήτου οχήµατος αποτελούµενου από ολιγότερα υποσυστήµατα, έκαστο των οποίων εκπληρώνει περισσότερες της µίας λειτουργίες. Η µορφή του σχεδιασθέντος επί τη βάσει αυτής της αρχής οχήµατος, όπως την συνέλαβε ο µορφολογικός σχεδιαστής του Γ. Μιχαήλ [4, 5] δίδεται στο Σχ. 1, η δε παρουσίαση των υποσυστηµάτων δίδεται ακολούθως. Σχ. 1: Μορφολογική σχεδίαση ηλεκτροκινήτου οχήµατος µε την µινιµαλιστική προσέγγιση 2.1 Συγχώνευση του αµαξώµατος, των αναρτήσεων και των καθισµάτων σε ένα υποσύστηµα. Το αµάξωµα αποτελείται από ένα φορέα κιβωτοειδούς διατοµής από σύνθετο υλικό (πλαστικό ενισχυµένο µε υαλονήµατα και όπου απαιτείται µε Kevlar ή ανθρακονήµατα), επί του οποίου ενσωµατώνονται δύο ζεύγη εγκαρσίων δοκών (Σχ. 2) των οποίων τα πλευρικά πρόβολα επιτελούν τις λειτουργίες του υποσυστήµατος αναρτήσεως. Προβλέπεται να έχει µεταβλητή στιβαρότητα, ενισχυµένη όπου απαιτείται, ώστε να ανταποκρίνεται στους κανονισµούς ασφαλείας κρουστικής καταπονήσεως. Τα προαναφερόµενα πρόβολα είναι ειδικά µελετηµένα (κατασκευή σάντουιτς παρόµοια µε αυτή των σκι). Εµφανίζουν τις απαιτούµενες ιδιότητες ώστε να εκπληρώνουν τον ρόλο των ελατηρίων και των αποσβεστήρων της συµβατικής αναρτήσεως: ελαστικότητα και εσωτερική τριβή του υλικού, η οποία διαχέει την ενεργεία στο περιβάλλον ως θερµότητα. Τα καθίσµατα είναι από το ίδιο σύνθετο υλικό µε το αµάξωµα, µε επίστρωση αφρώδους υλικού για λόγους ανέσεως, και συνεισφέρουν στην στιβαρότητα του κλωβού των επιβατών. Κατ ουσία, στα πλευρικά πρόβολα συγκεντρώνονται όλες οι καταπονήσεις από αντιδράσεις του οδοστρώµατος επί των τροχών και συνεπώς αυτό επιτρέπει την κατασκευή ελαφρύτερου αµαξώµατος (εντός των απαιτουµένων βεβαίως ορίων από τους ισχύοντες κανονισµούς αντοχής σε κρουστικά φορτία). Σχ. 2: Συγχώνευση του αµαξώµατος και των αναρτήσεων σε ένα υποσύστηµα - 2 -

3 2.2 Συγχώνευση των ηλεκτροκινητήρων, των τροχών και των υποσυστηµάτων µεταδόσεως κινήσεως, διευθύνσεως και πεδήσεως σε ένα υποσύστηµα. Το υποσύστηµα κινήσεως αποτελείται από γραµµικούς ηλεκτροκινητήρες οι οποίοι κινούν µεγάλης διαµέτρου τροχούς χωρίς πλήµνες. Το τύλιγµα των γραµµικών ηλεκτροκινητήρων ευρίσκεται τοποθετηµένο στην άκρη των προβόλων της αναρτήσεως και ασκεί την ηλεκτρεγερτική δύναµη επί του σώτρου εκάστου κινητήριου τροχού. Οι ηλεκτροκινητήρες ελέγχονται από ελεγκτές οι οποίοι επιτελούν επίσης την λειτουργία του διαφορικού (ηλεκτρονικό διαφορικό [8-10]) και του υποσυστήµατος διευθύνσεως (steering by wire) προσαρµόζοντας την γωνιακή ταχύτητα περιστροφής εκάστου κινητηρίου τροχού, ώστε το όχηµα να ακολουθεί την τροχιά που επιθυµεί ο οδηγός του. Η ικανότητα ελιγµών του οχήµατος αυτού αναµένεται να είναι πολύ ανώτερη αυτής οιουδήποτε κατασκευασθέντος µέχρι σήµερα οχήµατος, διότι δια της περιστροφής των εσωτερικών προς την τροχιά τροχών σε αντίθετη φορά από τους εξωτερικούς προς την τροχιά τροχούς, είναι δυνατόν να επιτύχοµε την περιστροφή του οχήµατος περί τον κατακόρυφο άξονά του εκτροπής. ια λόγους ασφαλείας και για την περίπτωση βλάβης του ηλεκτρονικού ελεγκτή, έχει προβλεφθεί και ένα συµβατικό σύστηµα διευθύνσεως. Η επιλογή τροχών µεγάλης διαµέτρου παρουσιάζει σηµαντικά πλεονεκτήµατα: 1) Η εφαρµογή της ηλεκτρεγερτικής δυνάµεως στο σώτρο τροχών µεγάλης διαµέτρου δίδει µία τεράστια ροπή, σε κάθε περίπτωση υπερεπαρκή δια την υπερνίκηση της συνολικής ροπής αντιστάσεως κινήσεως. 2) Η µεγάλη διάµετρος των τροχών επιτρέπει την επίτευξη της µεγίστης ταχύτητος κινήσεως του οχήµατος χωρίς την χρήση µειωτήρα στροφών (κιβωτίου ταχυτήτων). 3) Ο µεγάλος όγκος αέρος εντός των ελαστικών επισώτρων συµβάλει στην αποτελεσµατική απορρόφηση των διαταραχών από τις ανωµαλίες του δρόµου. Ο ηλεκτρονικός ελεγκτής των κινητήρων επιτρέπει την χρήση των γραµµικών ηλεκτροκινητήρων σαν ηλεκτροµαγνητικές πέδες, εξασφαλίζοντας την µετατροπή της κινητικής ενεργείας του οχήµατος σε ηλεκτρικής ενέργεια φορτίσεως των συσσωρευτών. Πιθανόν να απαιτηθεί και συµβατικό σύστηµα πεδήσεως, για λόγους λήψεως της εγκρίσεως τύπου κατά τα προβλεπόµενα στους ισχύοντες κανονισµούς ασφαλείας. 2.3 Ηλεκτροσυσσωρευτές και σύστηµα φορτίσεως αυτών Η παροχή ηλεκτρικής ενεργείας προς του ηλεκτροκινητήρες εξασφαλίζεται από ηλεκτροσυσσωρευτές και από φωτοβολταϊκά στοιχεία τα οποία επίσης συνεισφέρουν στην φόρτιση των συσσωρευτών. Επί του οχήµατος προβλέπεται επίσης φορτιστής για την φόρτιση των συσσωρευτών από το δίκτυο διανοµής ηλεκτρικής ενεργείας. 3. ΠΡΟΚΑΤΑΡΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΟΜΗΣ ΜΕ ΤΗΝ ΜΕΘΟ Ο ΤΩΝ ΠΕΠΕΡΑΣΜΕΝΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Στον σχεδιασµός του βέλτιστου υποσυστήµατος αµάξωµα / σύστηµα αναρτήσεως έγινε χρήση της µεθόδου των πεπερασµένων στοιχείων (κώδικας NASTRAN). Κατά την αρχική ανάλυση, θεωρήσαµε το αµάξωµα µε πάχος τοιχώµατος 2 mm, πλην των τµηµάτων που επιτελούν τις λειτουργίες της αναρτήσεως τα οποία έχουν πάχος 10 mm. Η µορφή του πλέγµατος φαίνεται στο Σχ. 3. Στην αρχική ανάλυση (προεισαγωγικός σχεδιασµός) θεωρήθηκαν στατικά φορτία ισοδύναµα των δυναµικών. Η ανάλυση για κρουστικά φορτία θα γίνει µόνον µετά την οριστικοποίηση του σχεδιασµού. Θα προηγηθεί βεβαίως η οριστικοποίηση της επιλογής του κινητηρίου συστήµατος και της κατανοµής των βαρών, ώστε να είναι γνωστά όλα τα ασκούµενα φορτία. Οι µετατοπίσεις οι οποίες υπολογίσθηκαν κατά την ανάλυση µε φορτίο το ίδιον βάρος και µε φορτίο το µέγιστο ωφέλιµο, δίδονται αντιστοίχως στα Σχ. 4 και 5, οι δε αντίστοιχες τάσεις στα Σχ. 6 και 7. Βεβαίως, η ανάλυση και βελτιστοποίηση του αµαξώµατος απαιτεί να λάβουµε υπ όψιν και άλλες περιπτώσεις καταπονήσεως και κυρίως τα κρουστικά φορτία κατά τον κανονισµό 94. Πάντως µέχρι στιγµής έχει επιτευχθεί βάρος αµαξώµατος 95 Kg και η προσπάθεια για την µείωσή του συνεχίζεται

4 Σχ. 3: Πλέγµα χρησιµοποιηθέν για την ανάλυση µε την µέθοδο των πεπερασµένων στοιχείων. Σχ. 4: Μετατοπίσεις για καταπόνηση από το ίδιον βάρος

5 Σχ. 5: Μετατοπίσεις για καταπόνηση από το ωφέλιµο φορτίο. Σχ. 6: Τάσεις για καταπόνηση από το ίδιον βάρος

6 Σχ. 7: Τάσεις για καταπόνηση από το ωφέλιµο φορτίο. 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα εργασία παρουσιάσθηκε µία µινιµαλιστική προσέγγιση στον σχεδιασµό ηλεκτροκινήτων οχηµάτων. Το σηµείο κλειδί αυτής της προσεγγίσεως ήταν η µείωση του αριθµού των υποσυστηµάτων ενός οχήµατος δια της αναπτύξεως νέων υποσυστηµάτων, έκαστο των οποίων εκπληρώνει τις λειτουργίες περισσοτέρων υποσυστηµάτων εκ των χρησιµοποιουµένων στα συµβατικά ηλεκτροκίνητα οχήµατα. Ακολούθως παρουσιάσθηκαν τα πρώτα αποτελέσµατα της αναλύσεως του αµαξώµατος τα οποία και αποδεικνύουν ότι το σχεδιασθέν όχηµα είναι πολύ ελαφρύτερο των µέχρι σήµερον γνωστών ηλεκτροκινήτων οχηµάτων, συνεπώς καταναλώνει πολύ ολιγότερη ενέργεια για την κίνησή του, έχει πολύ µεγαλύτερη αυτονοµία κινήσεως µεταξύ διαδοχικών φορτίσεων και µικρότερο κόστος εκµεταλλεύσεως. Ως εκ της χρήσεως ολιγότερων πρώτων υλών και της σχεδιαστικής απλότητας, το κόστος κατασκευής του οχήµατος αυτού είναι πολύ µικρότερο ενός συµβατικού ηλεκτροκινήτου οχήµατος. 5. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] C. N. Spentzas, D. B. Koulocheris and J. Jouralas: A cost-conscious approach to the design of an electric vehicle, Proceedings of the 12th International Electric Vehicle Symposium (EVS 12), Vol. 2, pp , Anaheim- California, USA, 5-7 December [2] Christos Doumas: Cycladic Art: Ancient sculpture and ceramics from the N. P. Goulandris collection, University of Washington Press, [3] Pat Getz-Gentle: Personal styles in early Cycladic Sculpture, University of Wisconsin Press, [4] Konstantinos N. Spentzas and Georgios Michael: A minimalist approach to the design of electric vehicles, Proceedings of the 21 st International Electric Vehicles Symposium (EVS-21), Monte Carlo, 2-6 April 2005, paper FFP 41. [5] K. N. Spentzas and G. Michael: A minimalist approach to the design of electric vehicles, Proceedings of the 2005 IASME/WSEAS International Conference on Energy, Environment, Ecosystems and Sustainable Development, Vouliagmeni, Athens, Greece, July 12-14, 2005, paper

7 [6] C. N. Spentzas and D. N. Lefantzis: EV-DaB, a database of electric, hybrid and fuel-cell vehicles, Proceedings (on a CD) of the 15 th International Electric Vehicle Symposium EVS-15, Brussels, Belgium, 29 September 3 October [7] Constantin N. Spentzas and Ibrahim Alkhazali: Contribution to the development of an electronic differential, Proceedings of the 13th Electric Vehicle Symposium (EVS 13), Vol. 2, p , Osaka, Japan, October [8] K. N. Spentzas and I. Alkhazali: A generalized dynamic model of a four-wheel drive and four-wheel steering vehicle equipped with an electronic differential, Proceedings of the 3 rd International Symposium on Advanced Electromechanical Motion Systems ELECTROMOTION 99, Paper No. I-05, Volume II, pp , University of Patras, Patras, Greece, 8-9 July [9] K. N. Spentzas and I. Alkhazali: Generalisation of the concept of electronic differential, Forschung im Ingenieurwesen, Band 66, Heft 6, Oktober 2001, pp , Springer-Verlag. [10] Georgios Michael: Ruote annulari progetto ambiziozo, Tuttotrasporti (Rivista del transporto e della movimentazione), Ottombre [11] Georgios Michael: Proposta per un nuovo sistema di avanzamento dei veicoli con ruote annulari di grande diametro, ATA (Rivista della Assocoazione Tecnica dell Automobile), 4/