ANALIZA DYNAMIKI TYLNEGO UKŁADU ZAWIESZENIA POJAZDU OSOBOWEGO Z NAPĘDAMI ELEKTRYCZNYMI WBUDOWANYMI W KOŁA

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE 218 nr 68, ISSN X ANALIZA DYNAMIKI TYLNEGO UKŁADU ZAWIESZENIA POJAZDU OSOBOWEGO Z NAPĘDAMI ELEKTRYCZNYMI WBUDOWANYMI W KOŁA Piotr Dukalski 1a, Bartłomiej Będkowski 1b, Andrzej Urbaś 2a, Krzysztof Augustynek 2b, Krzysztof Parczewski 3a, Henryk Wnęk 3b 1 Instytut Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL a p.dukalski@komel.katowice.pl, b b.bedkowski@komel.katowice.pl 2 Katedra Podstaw Budowy Maszyn, Akademia Techniczno-Humanistyczna a aurbas@ath.bielsko.pl, b kaugustynek@ath.bielsko.pl 3 Katedra Silników Spalinowych i Pojazdów, Akademia Techniczno-Humanistyczna a kparczewski@ath.bielsko.pl, b hwnek@ath.bielsko.pl Streszczenie W artykule przedstawiono analizę dynamiki układu tylnego zawieszenia samochodu Fiat Panda II z napędem w postaci dwóch silników elektrycznych zamontowanych w kołach. W celu wykonania analizy zaproponowano uproszczony model zawieszenia wykonany z zastosowaniem pakietu do modelowania układów wieloczłonowych (MSC.ADAMS). W przedstawionym modelu zakłada się, że wszystkie człony, oprócz elementów sprężystych i opon, są nieodkształcalne. W analizie pominięto również wpływ przedniego zawieszenia oraz nadwozia na ruch układu. W modelu obliczeniowym do napędu kół zastosowano momenty napędowe, których przebiegi są zgodne z przebiegami generowanymi przez rzeczywiste silniki elektryczne. Wyniki analiz przedstawiają wpływ masy silnika zamontowanego w kole, który stanowi dodatkową masę nieresorowaną na siły dynamiczne działające w połączeniach ruchowych układu koło-zawieszenie przy różnych przebiegach momentów napędowych generowanych przez silniki podczas najazdu na przeszkody o różnych wymiarach geometrycznych. Słowa kluczowe: dynamika, układ tylnego zawieszenia, napęd elektryczny, układ wieloczłonowy DYNAMICS ANALYSIS OF REAR SUSPENSION SYSTEM OF A PASSENGER CAR WITH ELECTRIC DRIVES BUILT IN THE WHEELS Summary The dynamics analysis of the rear suspension system of the Fiat Panda II, with the electric motors mounted in wheels is presented in the paper. In order to perform the analysis, a simplified suspension model using a multibody system dynamics package (MSC.ADAMS) is elaborated. In the presented model, it is assumed that all links, except for the springs and tires, are represented as rigid bodies. The influence of the front suspension and car body on the system behavior is also omitted. In the computational model, drive torques applied to the wheels are based on real characteristics of electric motors. Numerical simulations show the influence of the mass of the motor mounted in the wheel, which introduce an extra unsprung mass, on the dynamic forces acting in the joints of the wheel-suspension system obtained for various courses of the driving torques and different geometrical dimensions of the obstacles. Keywords: dynamics, rear suspension system, electric drive, multibody system 32

2 Piotr Dukalski, Bartłomiej Będkowski, Andrzej Urbaś, Krzysztof Augustynek, Krzysztof Parczewski, Henryk Wnęk 1. WSTĘP Przewiduje się, że w perspektywie kilku lat znacząco wzrośnie liczba pojazdów z napędem elektrycznym. Przyczyną takiego wzrostu jest możliwość zmniejszenia zużycia paliwa i emisji związków toksycznych spalin do atmosfery. Podstawowymi zaletami napędu elektrycznego są: prostota układu napędowego, łatwość sterowania i obsługi, cichobieżność pojazdu, oraz brak spalin emitowanych do atmosfery [4], a także niższy koszt jednego kilometra przebiegu i eksploatacji pojazdu. Kolejną zaletą pojazdu elektrycznego jest zdolność do odzyskiwania energii w czasie hamowania dzięki zastosowanym w nim systemom. Wadami pojazdów elektrycznych są nadal: duża masa, mała pojemność elektryczna akumulatorów, utrata pojemności akumulatorów w niskich temperaturach. Obecnie zasięg pojazdów elektrycznych jest wyraźnie mniejszy niż w pojazdach napędzanych silnikami spalinowymi, a czas ich ładowania jest wyraźnie dłuższy niż czas tankowania paliwa. Obciążenie układu dodatkowymi odbiornikami, takimi jak np. klimatyzacja czy też inne urządzenia zużywające energię elektryczną, powoduje zmniejszenie zasięgu pojazdu. Pomimo tych niedogodności producenci samochodów starają się w swojej gamie wyrobów mieć kilka pojazdów z napędem elektrycznym. Rozwiązania konstrukcyjne silników montowanych w kołach pojazdów powstają najczęściej w firmach je produkujących. Istnieje wiele konfiguracji układów napędowych pojazdów elektrycznych [2, 3, 4]. W niniejszej pracy pokazano rozwiązanie, w którym silniki elektryczne są zamontowane w piastach kół tylnych. Układ napędowy wyposażony w dwa silniki tego typu powinien zapewnić dynamiczną jazdę samochodu typu Fiat Panda. Dla samochodów o większej masie, w celu uzyskania odpowiednio wysokich parametrów jezdnych, należy zastosować napęd z czterema silnikami. Wymiary geometryczne opracowanego silnika zostały dopasowane do 17" obręczy koła (rys. 1). Dostępna dla konstruktora silnika przestrzeń projektowa jest ograniczona jej średnicą zewnętrzną, kształtem, odsadzeniem (ET) oraz wielkością bębna hamulcowego, który jest zabudowany w silniku (jeżeli jest uwzględniony w układzie hamulcowym). Tarcza kotwiczna Silnik jest montowany do belki poprzez tarczę kotwiczną (rys. 2). Podzespoły silnika można podzielić na elementy stałe i elementy ruchome, przez które przenoszony jest moment obrotowy bezpośrednio na koło pojazdu. Rys. 2. Widok montażu silnika SMzs2S32 produkcji KOMEL w kole oraz belce zawieszenia Mankamentem opracowywanego rozwiązania jest masa silników elektrycznych wbudowanych w koła, która dla przedstawionego silnika SMzs2S32 wynosi około 3 kg. Tak duża masa może mieć wpływ na właściwości jezdne pojazdu oraz wytrzymałość elementów konstrukcyjnych podwozia. Celem niniejszej pracy jest sformułowanie modelu opisującego zjawiska dynamiczne układu tylnego zawieszenia z silnikami wbudowanymi w koła, który posłuży do analizy wpływu zmiany masy części stałych i wirujących pojazdu na jego dynamikę. Do opracowania modelu dynamiki zawieszenia zastosowano komercyjny pakiet MSC.Adams. Pakiet ten pozwala na generowanie modelu dynamiki z użyciem formalizmu układów wieloczłonowych, a dzięki możliwości importu modeli CAD podzespołów parametry geometryczne i masowe poszczególnych części są zbliżone do rzeczywistych. 2. MODEL DYNAMIKI TYLNEGO UKŁADU ZAWIESZENIA Model dynamiki tylnego układu zawieszenia wykonano w module MSC.Adams/View będącego częścią pakietu MSC.Adams. Model strukturalny układu wykonano na podstawie dokumentacji samochodu Fiat Panda III, wprowadzając do konstrukcji kół zmiany wynikające z zamontowania w nich silników elektrycznych. Na rys. 3 pokazano widok modelu tylnego zawieszenia wraz z opisem znajdujących się tam podzespołów. Modele bryłowe wszystkich części wykonano w pakiecie Autodesk Inventor. Rys. 1. Model 3D silnika SMzs2S32 produkcji KOMEL 33

3 ANALIZA DYNAMIKI UKŁADU TYLNEGO UKŁADU ZAWIESZENIA POJAZDU ( ) Dodatkowa masa sprężyna zawieszenia amortyzator Połączenie sferyczne z ostoją belka v Koło z wbudowanymi silnikami elektrycznymi 3. SYMULACJE NUMERYCZNE Podczas eksperymentów numerycznych analizowano wpływ masy stojana oraz wirnika na przemieszczenia środka koła oraz siłę kontaktową działającą pomiędzy jezdnią a oponą. Rozpatrywane warianty obliczeń zobrazowano na rys. 5. Rys. 3. Model symulacyjny tylnego zawieszenia Podczas modelowania wprowadzono pewne uproszczenia: wpływ masy nadwozia na ruch układu uwzględniono przez zamocowanie na jednym końcu sprężyny zawieszenia masy skupionej, której wielkość jest równa połowie masy nadwozia przypadającej na tylną oś, z uwagi na skomplikowaną konstrukcję wirnika oraz stojanu silnika elektrycznego w modelu wprowadzono części, których geometria jest zbliżona do kształtu wirnika oraz stojana, a ich parametry masowe, stojanu oraz wirnika są takie jak w rzeczywistym silniku elektrycznym, w elementach konstrukcyjnych pominięto rowki, sfazowania itp., które utrudniają import części do pakietu UW, a mają znikomy wpływ na dynamikę układu, wpływ przedniego zawieszenia na ruch układu jest pominięty, kontakt między jezdnią a oponą modelowany jest z użyciem standardowego elementu kontaktowego dostępnego w pakiecie MSC.Adams/View, co jest dopuszczalne dla analizowanego ruchu prostoliniowego [6]. W przypadku złożonych manewrów należałoby zastosować inne modele opony np. Pacejki [5]. Parametry fizyczne modelu zestawiono w pracy [1]. W trakcie symulacji analizowana jest dynamika zawieszenia podczas najazdu na przeszkodę (rys. 4). Ruch układu jest realizowany przez wymuszenie kinematyczne. Wymuszenie to polega na zadaniu przebiegu prędkości, zgodnie z którą ma się poruszać droga wraz z znajdującą na niej przeszkodą. W trakcie ruchu zawieszenie może wykonywać tylko ruch prostopadły względem płaszczyzny jezdni. Rys. 4. Przejazd tylnych kół przez przeszkodę w postaci eurodeski Rys. 5. Warianty obliczeń Podczas eksperymentów numerycznych wykonano analizę sześciu rozwiązań konstrukcyjnych ze stałą masą stojana i zmienną masą wirnika oraz drugie sześć ze stałą masą wirnika oraz zmienną masą stojana. Dla każdego wariantu masy wirnika oraz stojana analizowano dynamikę przejazdu przez przeszkodę w postaci kątownika ( P K ) oraz eurodeski ( P E ). Prędkość jezdni w trakcie symulacji narasta zgodnie z wielomianem piątego stopnia, osiągając przed najazdem na przeszkodę stałą wartość równą odpowiednio km 8, 12, 16 h. Na rys. 6 pokazano przykładowe przemieszczenia środka koła podczas najazdu na przeszkodę z różnymi prędkościami otrzymane dla silnika, którego parametry masowe odpowiadają prototypowemu silnikowi elektrycznemu. W przypadku obu przeszkód przemieszczenia środka koła rosną wraz ze wzrostem prędkości przejazdu przez przeszkodę. Ponadto można zauważyć, gdy analizowany jest przejazd przez eurodeskę, przemieszczenia środka koła są znacznie większe od przemieszczeń uzyskanych podczas analogicznego przejazdu przez kątownik. Różnice te są znacznie większe, aniżeli wskazują na to wysokości obu przeszkód. Ponadto można zauważyć, że w przypadku przejazdu przez kątownik prędkość, z jaką koła pokonują przeszkodę, ma wpływ na przemieszczenie środka koła. 34

4 Piotr Dukalski, Bartłomiej Będkowski, Andrzej Urbaś, Krzysztof Augustynek, Krzysztof Parczewski, Henryk Wnęk W przypadku eurodeski nie ma większych różnic między km przebiegiem uzyskanym dla prędkości 8 h oraz km 12 h. Znaczące większe przemieszczenia otrzymano dla prędkości km 16 h..4 S22,2W1,6 PK F K [N] S22,2W1,6 PK.3 2 [m] S22,2W 1,6PK a) F K [N] a) S22,2W 1,6PK [m] b) Rys. 7. Przebieg siły kontaktowej między jezdnią i oponą podczas najazdu na kątownik (a) oraz eurodeskę (b). -.1 Rys. 6. Przemieszczenie środka koła podczas najazdu na:a) kątownik; b) Na rys. 7 można zauważyć, że prędkość wpływa znacząco na przebieg siły kontaktowej działającej między jezdnią i oponą zarówno w przypadku przejazdu przez kątownik, jak i eurodeskę. b) Aby zbadać wpływ masy stojana oraz masy wirnika dla każdego wariantu obliczeń, wyznaczono przemieszczenie środka koła oraz maksymalną siłę kontaktu między jezdnią a oponą przy różnych prędkościach przejazdu przez przeszkodę. Uzyskane wyniki pokazano na rys. 8 oraz rys. 9. Analizując otrzymane wyniki można zauważyć, że w badanym zakresie wartości masy wirnika i stojana, przemieszczenia środka koła oraz siła kontaktu ulega tylko nieznacznym zmianom przy danej prędkości przejazdu przez przeszkodę. Można zatem stwierdzić, że modyfikacja masy stojana oraz wirnika, w badanym wąskim zakresie zmian ich parametrów masowych, nie ma większego wpływu na odpowiedź dynamiczną układu. Największy wpływ na dynamikę tylnego zawieszenia ma prędkość z jaką pokonuje przeszkodę oraz rodzaj przeszkody. Wpływ zmiany masy wirnika oraz stojana może być bardziej widoczny dla jazdy z większymi prędkościami np. w czasie jazdy po łuku lub podczas manewru zmiany pasa ruchu. 35

5 ANALIZA DYNAMIKI UKŁADU TYLNEGO UKŁADU ZAWIESZENIA POJAZDU ( ) Przeszkoda K, masa stojana 24 kg Przeszkoda K, masa stojana 24 kg Przeszkoda E, masa stojana 24 kg Przeszkoda E, masa stojana 24 kg Przeszkoda K, masa wirnika 12 kg Przeszkoda K, masa wirnika 12 kg Przeszkoda E, masa wirnika 12 kg Przeszkoda E, masa wirnika 12 kg Rys. 8. Maksymalne przemieszczenie środka koła Rys. 9. Maksymalna siła kontaktu między jezdnią i oponą 36

6 Piotr Dukalski, Bartłomiej Będkowski, Andrzej Urbaś, Krzysztof Augustynek, Krzysztof Parczewski, Henryk Wnęk 4. WNIOSKI W pracy przedstawiono model dynamiki tylnego zawieszenia pojazdu z wbudowanymi silnikami elektrycznymi. Prototypy takich silników są produkowane przez Instytut Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL. Własności konstrukcyjno-technologiczne sprawiają, że masa tych silników jest duża i może mieć wpływ na dynamikę pojazdu. W pracy analizowano wpływ modyfikacji masy części stałych i wirujących silnika wbudowanego w piastę koła na odpowiedź dynamiczną układu. Podczas badań symulacyjnych analizowano manewr polegający na przejeździe pojazdu w linii prostej przez przeszkodę w postaci kątownika oraz prostokątnej eurodeski. W czasie symulacji badano wpływ zmiany masy silnika na przemieszczenia środka koła oraz przebieg siły kontaktowej działającej między jezdnią a oponą. Zakres zmian masy stojana oraz wirnika, stosowany w czasie badań symulacyjnych, wynika z możliwości konstrukcyjno-technologicznych, jakie obecnie istnieją. Wyniki wskazują, że dla analizowanego manewru zmiany parametrów masowych nie mają większego wpływu na dynamikę pojazdu. W ramach kolejnych prac zostaną przeprowadzone badania określające wpływ masy silników na dynamikę tylnego zawieszenia podczas takich manewrów jak jazda po łuku, czy zmiana pasa ruchu z odpowiednio większymi prędkościami. Projekt Innowacyjne Rozwiązania Napędu Bezpośredniego Pojazdów Elektrycznych, współfinansowany ze środków NCBiR w ramach programu LIDER VII, zgodnie z umową: LIDER/24/82/L-7/15/NCBR/216 Literatura 1. Dukalski P., Będkowski B., Parczewski K., Wnęk H., Urbaś A., Augustynek K.: Model symulacyjny dynamiki tylnego zawieszenia samochodu typu Fiat Panda z zabudowanymi silnikami elektrycznymi w obręczach kół. Maszyny Elektryczne: Zeszyty Problemowe 218, Nr 1 (117), s Dzida J.: Porównanie różnych sposobów kierunkowego napędzania pojazdów silnikami elektrycznymi. Napędy i Sterowanie 217, no 2, s Ehsani M., Gao Y., Gay S. E., Emadi A.: Modern electric, hybrid electric and fuel cells vehicles, fundamentals, theory and design. London: CRC Press, 24, p Merkisz J., Pielecha I.: Układy elektryczne pojazdów hybrydowych. Poznań: Wyd. Pol. Poznańskiej, p 12 19, Pacejka H. B.: Tire and vehicle dynamics. SAE, Warrendale 26, 6. Parczewski K., Wnęk H.: Impact of tire inflation pressure during overcoming of road unevenness. In: Proceedings of 21th International Conference Transport Means. Kaunas, 217, part 1, p Artykuł dostępny na podstawie licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3. Polska. 37