MODEL SYMULACYJNY DYNAMIKI TYLNEGO ZAWIESZENIA SAMOCHODU TYPU FIAT PANDA Z ZABUDOWANYMI SILNIKAMI ELEKTRYCZNYMI W OBRĘCZACH KÓŁ

Transkrypt

1 Maszyy Elektrycze - Zeszyty Problemowe Nr 1/2018 (118) 75 Piotr Dukalski, Bartłomiej Będkowski Istytut Napędów i Maszy Elektryczych KOMEL, Katowice Krzysztof Parczewski, Heryk Węk, Adrzej Urbaś, Krzysztof Augustyek Akademia Techiczo-Humaistycza, Bielsko-Biała MODEL SYMULACYJNY DYNAMIKI TYLNEGO ZAWIESZENIA SAMOCHODU TYPU FIAT PANDA Z ZABUDOWANYMI SILNIKAMI ELEKTRYCZNYMI W OBRĘCZACH KÓŁ THE SIMULATION MODEL OF DYNAMICS OF FIAT PANDA S REAR SUSPENSION WITH BUILT-IN ELECTRIC DRIVES IN HUBS OF WHEELS Streszczeie: W pracy przedstawioo model dyamiki układu tylego zawieszeia z silikami elektryczymi zamotowaymi w obręczach kół. Model wykoao w formalizmie układów wieloczłoowych (UW) korzystając z komercyjego oprogramowaia. Opracoway model umożliwia aalizę wpływu dodatkowych mas ieresorowaych, jakimi są siliki zamotowae w kołach a ruch zawieszeia, siły działające w połączeiach oraz siły kotaktowe działające między jezdią i opoą. W symulacjach umeryczych aalizowao wpływ sztywości sprężyy zawieszeia a przemieszczeia środka koła przy różych prędkościach ajazdu koła a przeszkodę. Abstract: Dyamics model of the rear suspesio system with electric drives mouted i wheel hubs are preseted. The model is formulated usig multibody approach usig commercial package. The developed model make us possible to aalyze the impact of additioal usprug masses such as electric motors mouted i wheels o the movemet of the system, forces actig i the joits ad cotact forces betwee the road ad tire. I umerical simulatios the ifluece of the sprig stiffess o wheel cetre displacemets durig ridig o road ueveess is aalysed. Differet vehicle velocities have bee cosidered. Słowa kluczowe: tyle zawieszeie, układ wieloczłoowy, model dyamiki, silik w obręczy koła, apęd elektryczy Keywords: rear suspesio, multibody system, dyamics model, wheel hub motor, electric drive 1. Wstęp Wraz z postępem techiki w dziedziie apędów trakcyjych oraz rozwojem ogóloświatowego tredu wdrażaia samochodów elektryczych [1, 2] Istytut KOMEL jako producet apędów elektryczych odotował wzrost zaiteresowaia sektora prywatego rozwiązaiem apędu elektryczego, wykorzystującego siliki elektrycze zabudowae w obręczach kół apędowych. Takie rozwiązaie posiada szereg zalet jak brak elemetów pośrediczących w przeiesieiu mometu (przekładie, mechaiczy układ różicowy), wyższa sprawość układu apędowego, iezależe sterowaie mometem a każdym kole apędowym, co zwiększa dyamikę jazdy pojazdu, łatwy demotaż silika, stosukowo łatwe rozbudowaie apędu a 2 koła o koleje moduły apędowe czy zapewieie dodatkowego miejsca w adwoziu pojazdu (brak silika "cetralego"). Propoowae rozwiązaie wymaga od produceta podjęcia wyzwań kostruktorskich oraz techologiczych, spowodowaych ogra- iczoą przestrzeią jak zapewieie skuteczego chłodzeia silika, zapewieie wysokich parametrów pracy w stosuku do masy silika, zapewieie odpowiediego uszczelieia. Iym wyzwaiem jest sterowaie układem dwóch iezależych silików [3]. Istytut Napędów i Maszy Elektryczych KOMEL podjął prace badawcze i projektowe, mające a celu opracowaie rozwiązań techiczych oraz techologiczych, które w efekcie pozwolą a świadczeie usług związaych z projektowaiem i produkcją tego typu silików dla różego rodzaju pojazdów. Prace realizowae są w ramach programu LIDER VII fiasowaego przez Narodowego Cetrum Badań i Rozwoju. Przed rozpoczęciem wielowariatowych działań projektowych koiecza jest aaliza pracy zawieszeia z wbudowaymi silikami w różych warukach jazdy pojazdu. Celem iiejszej pracy jest opracowaie modelu dyamiki tylego zawieszeia z silikami zamotowaymi w kołach. Model te będzie umożliwiać

2 76 Maszyy Elektrycze - Zeszyty Problemowe Nr 1/2018 (118) aalizę przemieszczeń i sił działających a koło oraz elemety zawieszeia podczas przejazdu pojazdu przez przeszkodę prostokątą. W literaturze istieje szereg prac poświęcoych modelowaiu zawieszeń pojazdów [3-8]. Wśród propoowaych modeli moża wyróżić pełe modele zawieszeia, jak i uproszczoe połówkowe czy ćwiartkowe [3-5]. W pracy [6] do zapisu pełego modelu zawieszeia pojazdu wieloosiowego użyto pakietu Adams/Car, który jest implemetacją programową metod dyamiki układów wieloczłoowych. W iiejszej pracy, model dyamiki tylego zawieszeia sformułowao korzystając z formalizmu układów wieloczłoowych (UW) za pomocą dedykowaego komercyjego oprogramowaia. W dalszej części pracy przedstawioo etapy, w trakcie których model był budoway oraz wyiki przykładowych badań symulacyjych. 2. Model obliczeiowy dyamiki Rozpatryway w projekcie apęd dotyczy układu apędu bezpośrediego, bazującego a dwóch silikach elektryczych zabudowaych w tylych kołach samochodu Fiat Pada. Siliki są wbudowae w obręczy koła w rozmiarze 17 cali. W ramach projektu powstał model prototypowego silika o parametrach pracy pokazaych w tab. 1. Tabela 1. Parametry pracy przykładowego silika zabudowaego w koło Parametr Wartość U 200V P LL M P max 42kW 00obrmi 400Nm ok. 80 kw ok. 900 Nm M max (dla K 00obr mi ) Jedym z główych celów projektu jest opracowaie fialej wersji prototypowej, która będzie w staie uzyskać wysokie parametry pracy, zapewiające dyamiczą jazdę samochodu przy jedoczesej redukcji masy silika. W wersji rozpatrywaej w iiejszej pracy masa silika wyosi 36 kg, co wyika z różych aspektów projektowych mających a celu zapewieie iezawodości prototypu, który ma staowić "bezpieczą" wersję silika. Według założeia projektu, koleje prototypy będą się cechowały miejszą masą. Aby otrzymać taki model dyamiki tylego zawieszeia z silikami elektryczymi zamotowaymi w obręczach kół wykoao astępujące kroki: opracowao modele bryłowe części oraz podzespołów wchodzących w skład tylego zawieszeia, zaimportowao modele bryłowe do pakietu UW, a astępie wykoao złożeie podzespołów przez wprowadzeie odpowiedich więzów kiematyczych, wprowadzoo modele sprężyy zawieszeia oraz tłumika, zaimportowao profil jezdi oraz zdefiiowao kotakt między jezdią a opoą, zdefiiowao wymuszeia oraz wykoao symulację dyamiki zawieszeia, wykoao aalizę otrzymaych wyików. W dalszej części pracy kroki te zostaą szczegółowo omówioe. Tabela 2. Zestawieie części wchodzących w skład modelu dyamiki Lp. Nazwa części m [kg] I x[kgm ] I y[kgm ] I z[kgm ] 1. Belka 20,2 4,7725 4,4934 0, Bębe hamulcowy 5,3 5,3173 2,8430 2, Obręcz koła 8,9 0,2822 0,1681 0, Opoa 14,9 1,1403 0,6383 0, Wirik 12 0,3694 0, Tarcza 1,9 1,7616 9,1581 9, Półoś 1,4 1,4663 1,2233 1, Stoja 24 0,5418 0,2999 0,2997

3 Maszyy Elektrycze - Zeszyty Problemowe Nr 1/2018 (118) Modele bryłowe Modele bryłowe podzespołów tylego zawieszeia przygotowao korzystając z komercyjego oprogramowaia CAD. W tab. 2 zestawioo ich parametry masowe. W przypadku iektórych podzespołów zostały zastosowae uproszczeia polegające p. a usuięciu zaokrągleń. Wszystkie te zmiay ie mają większego wpływu a wyiki symulacji dyamiki, a jedyie ułatwiają import tak wykoaych modeli do pakietu UW. Dodatkowego kometarza wymagają parametry masowe stojaa oraz wirika. Z uwagi a duży stopień skomplikowaia kostrukcji silika elektryczego wbudowaego w obręcz koła wprowadzoo pewe uproszczeia, polegające a zastąpieiu części wirujących oraz ieruchomych dwoma bryłami tj. wirikiem oraz stojaem. Ich parametry masowe zostały tak dobrae, aby były zgode z rzeczywistym urządzeiem. 4. Złożeie podzespołów sferycze Ostoja Belka Złożeie polega a wprowadzeiu więzów kiematyczych ograiczających ruch elemetów wchodzących w skład układu tylego zawieszeia. Na rys. 1 pokazao diagram, a którym są widocze podzespoły tylego zawieszeia wraz z rodzajem połączeia występującego między poszczególymi elemetami. Jak moża zauważyć w układzie występują trzy rodzaje połączeń: sferycze, obrotowe oraz. Najważiejszym elemetem układu jest belka, do której są motowae podzespoły związae z kołami oraz która jest rówież łączoa z kostrukcją adwozia. W opracowaym modelu wpływ adwozia a ruch układu jest pomijay, dlatego też przyjęto, że tuleje łączące w rzeczywistym pojeździe belkę z adwoziem, są połączoe sferyczie z ostoją. 5. Modelowaie sprężyy oraz tłumika Pukty sprężyy zawieszeia zajdują się odpowiedio: w belce oraz w pukcie, którego współrzęde odpowiadają miejscu mocowaia do adwozia. Pukty te zostały określoe a podstawie dostępej dokumetacji samochodu Fiat Pada. Podobie, jak w przypadku sprężyy, wyzaczoo współrzęde puktów mocowaia elemetu tłumiącego, który jest modeloway jako tłumik wiskotyczy. W tab. 3 zestawioo dae sprężyy oraz tłumika stosowae podczas badań symulacyjych. Stoja Stoja tlumik_amortyzator sprężya Tarcza Tarcza Półoś Półoś obrotowe obrotowe Piasta Piasta Bębe Bębe Wirik Obręcz Opoa Wirik Obręcz Opoa Rys. 1. Schemat modelu strukturalego układu zawieszeia Rys. 2. Widok sprężyy oraz tłumika w pakiecie UW Tabela 3. Parametry sprężyy oraz tłumika Parametr Współczyik sztywości Współczyik tłumieia Prawy Nm Sprężya Lewy Nm 1 0 Nsm 0 Nsm Długość początkowa 0.35 m 0.35 m Parametr Tłumik

4 78 Maszyy Elektrycze - Zeszyty Problemowe Nr 1/2018 (118) Współczyik sztywości Współczyik tłumieia Prawy Lewy 1 0 Nm 0 Nm odbicie: 1274 Nsm dobicie: 702 Nsm odbicie: 1274 Nsm dobicie: 702 Nsm Długość początkowa 1 m 1 m 6. Modelowaie jezdi Droga jest modelowaa jako elemet bryłowy, który może się przemieszczać liiowo względem ostoi w kieruku zgodym z wektorem prędkości v r (rys. 3). Podczas symulacji przyjęto, że prędkość będzie się zmieiać zgodie z przebiegiem pokazaym a rys. 4. Z przedstawioego przebiegu moża odczytać, że po czasie t 0 jezdia porusza się z stałą prędkością rówą v r,0.w symulacjach przyjęto, że koła przejeżdżają przez przeszkodę prostokątą o wymiarach 200x40 mm z prędkością v r,0. W zapropoowaym modelu pomiięto wpływ ciśieia w opoach a ruch układu [6]. Pomiędzy opoą a jezdią wprowadzoo elemet kotaktowy (rys. 5), o astępujących parametrach: współczyik tarcia statyczego μs 0,6, współczyik tarcia kietyczego μk 0,3, współczyik sztywości: 5 k 3,3 Nm - przy ciśieiu 0,24MPa, 5 k 2,9 Nm - przy ciśieiu 0,22MPa, prędkości wyjścia z tarcia statyczego m vs 0,1, s prędkości wejścia do tarcia dyamiczego vd 1. m s Rys. 3. Symulacja ajazdu kół a przeszkodę Rys. 4. Przebieg prędkości jezdi przyjęty w symulacjach Rys. 5. Widok elemetu kotaktowego między opoą i jezdią 7. Przykładowe symulacje umerycze Dla otrzymaego modelu UW układu tylego zawieszeia z silikami elektryczymi zabudowaymi w kole przeprowadzoo symulacje polegające a aalizie wpływu współczyika sztywości sprężyy a przemieszczeia środka koła podczas ajazdu a przeszkodę prostokątą. Symulacje wykoao dla trzech wariatów prędkości jezdi vr,0 8;12;16. Wyiki h km uzyskae z symulacji pokazao a rys. 6.

5 Maszyy Elektrycze - Zeszyty Problemowe Nr 1/2018 (118) 79 a) b) c) Rys. 6. Przemieszczeia środka koła przy ajeździe a przeszkodę prostokątą otrzymae dla prędkości vr,0 8kmh (a), v (b), (c) r,0 12kmh vr,0 16km h Z przedstawioych przebiegów moża zauważyć, że sztywość zawieszeia iezaczie wpływa a przemieszczeia środka koła dla aalizowaych prędkości ajazdu. Najmiejszy wpływ zmiay sztywości moża zaobserwować dla prędkość v. r,0 12kmh Wioski W pracy przedstawioo model dyamiki tylego zawieszeia samochodu Fiat Pada z zabudowaymi silikami elektryczymi w obręczach kół. Dzięki zastosowaiu metod dyamiki układów wieloczłoowych model fizyczy zawieszeia jest bardzo zbliżoy do kostrukcji rzeczywistej, a wyiki symulacji bliższe eksperymetowi. Model te pozwala a przeprowadzeie szeregu symulacji odwzorowujących pracę zawieszeia z dodatkową masą ieresorowaą, jaką jest silik wbudoway w koło, dla różych waruków jazdy, po różej awierzchi. Takie symulacje są koiecze do realizacji projektu apędu bazującego a silikach zabudowaych w obręczach kół. W symulacjach umeryczych aalizowao wpływ sztywości sprężyy a ruch pojazdu. Literatura [1]. R. Rossa "Zaawasowae rozwiązaia techicze w apędzie elektryczym E-Kit dla miejskiego samochodu osobowego", Maszyy Elektrycze - Zeszyty Problemowe, r 2/2014 (2), str [2]. R. Rossa "Badaia eksploatacyje samochodu osobowego zelektryfikowaego zestawem E-Kit", Maszyy Elektrycze - Zeszyty Problemowe, r 2/2014 (2), str [3]. J. Dzida "Porówaie różych sposobów kierukowego apędzaia pojazdów silikami elektryczymi", Napędy i Sterowaie, 2, str , [4]. D. Hrovat "Applicatios of Optimal Cotrol to Advaced Automotive Suspesio Desig", Joural of Dyamic Systems, Measuremet, ad Cotrol, Vol. 115, pp , [5]. T. Nabagło, S. Walczak, A. Jurkiewicz "Modelowaie dyamiki pojazdu wieloosiowego w programie Adams/Car", Czasopismo Techicze, Zeszyt, Rok 9, str. 118, [6]. A. Borowicz, A. Gudra, G. Ślaski "Aaliza wpływu zwiększeia masy ieresorowaej poprzez zabudowę silików elektryczych w piastach kół a komfort i bezpieczeństwo jazdy samochodu osobowego", Archiwum Motoryzacji, Vol. 65, No. 3, str , [7]. D.J. va Schalkwyk, M.J. Kamper, " Effect of hub motor mass o stability ad comfort of electric vehicles", IEEE Vehicular Power Propulsio Coferece, vol. 4, o. 1, str. 1-6, DOI:.19/VPPC [8]. K. Parczewski, H. Węk, "Impact of tire iflatio pressure durig overcomig of road ueveess", Trasport Meas, Part 1, str , 2017.

6 80 Maszyy Elektrycze - Zeszyty Problemowe Nr 1/2018 (118) Projekt Iowacyje Rozwiązaia Napędu Bezpośrediego Pojazdów Elektryczych, współfiasoway ze środków NCBiR w ramach programu LIDER VII, zgodie z umową: LIDER/24/0082/L-7/15/NCBR/2016. Autorzy dr iż. Bartłomiej Będkowski b.bedkowski@komel.katowice.pl mgr iż. Piotr Dukalski p.dukalski@komel.katowice.pl Istytut Napędów i Maszy Elektryczych KOMEL dr hab. iż. Krzysztof Parczewski kparczewski@ath.bielsko.pl dr iż. Heryk Węk hwek@ath.bielsko.pl Katedra Silików Spaliowych i Pojazdów Akademia Techiczo-Humaistycza w Bielsku-Białej dr iż. Adrzej Urbaś aurbas@ath.bielsko.pl dr iż. Krzysztof Augustyek kaugustyek@ath.bielsko.pl Katedra Podstaw Budowy Maszy Akademia Techiczo-Humaistycza w Bielsku-Białej