Проект «Разработка опытного образца цифрового подрессоренного мотор-колеса с повышенной управляемостью и проходимостью»

Представляем инновационные проекты, получившие положительное заключение по результатам проведения научно-технической экспертизы, организованной ГУНИД Минобороны. 

Проект 2  

«Разработка опытного образца цифрового подрессоренного мотор-колеса с повышенной управляемостью и проходимостью» 

 На фото: Действующий макет мотор-колеса 

 

Из описания проекта: 

За два последних года рост объема продаж электроавтомобилей в России составил более 70%. За рубежом создано несколько концептов автомобилей, которые используют мотор-колеса. Использование мотор-колес на 30% улучшает топливную эффективность в гибридах. Кроме того, наблюдается тенденция к использованию в конструкциях полноприводных автомобилей гибких интеллектуальных трансмиссий. Они сочетают в себе индивидуальные регулируемые силовые электроприводы каждого колеса с автоматическим электронным управлением, которое обеспечивает рациональное распределение крутящего момента по ведущим колёсам автомобиля.

Существуют конструкции мотор-колес с упругим и демпфирующим элементами внутри обода, которые являются достаточно сложными и лишь частично поглощают удары, идущие со стороны дороги.

Наличие в продаже дешевых мотор-колес (ключевого элемента электромашины) может существенно упростить сегодняшние автомобили и приведет к возникновению открытой архитектуры. Поскольку в данном случае не требуются большие сборочные цеха, то это может привести к возникновению серьезных сдвигов в автоиндустрии и возникновению большого количества «отверточных» производств, у которых каждый заказчик сможет заказывать сборку в ближайшем авто магазине по интернету под себя. Таким образом, одной из целей проекта является задача существенно упростить трансмиссию и, тем самым, одновременно не только удешевить, но и повысить ее надежность (за счет уменьшения количество узлов), что крайне важно для военной техники.

Основными аналогами являются мотор-колеса Protean in-wheel motors (Protean Electric), Siemens/VDO (Siemens), Active Wheel (Michelin). В данных мотор-колесах электродвигатель встроен в колесо и не подрессорен, что ведет к увеличению неподрессоренной массы, усложнению подвески, ухудшению динамики автомобиля и существенному удорожанию мотор-колеса. 

К недостаткам мотор-колес перед традиционными автоколесами можно отнести: 

  • большую массу механизмов, помещаемых внутрь обода; 
  • высокооборотные электродвигатели мотор-колес нуждаются в понижающем редукторе, он должен быть компактным и герметичным. Редуктор добавляет несколько килограммов к общей массе колеса, Для традиционных автомобилей лишний вес в конструкции трансмиссии не критичен, но для колес действует совершенно другой принцип; 
  • большую неподрессоренную массу: тяжелые колеса, резко снижают комфорт и управляемость, повышают износ подвески, передают на кузов вибрации. Оптимальный вес колеса для среднеразмерного автомобиля составляет от 10 до 30 кг без учета шины. Вписаться в эти жесткие рамки мотор-колесу очень непросто; 
  • высокую стоимость и специфичность ремонта мотор-колеса, который представляет собой операцию, требующую высокой квалификации. 

В предлагаемом решении указанные недостатки отсутствуют – масса двигателя не присоединена к колесу, а управление моментом электродвигателя позволяет демпфировать колебания при наездах на препятствия и осуществлять горизонтальную стабилизацию автомобиля во время движения.

В настоящее время зарубежные лидеры производства грузового и легкового автотранспорта начинают серийное производство гибридных и электрических силовых установок. Так, например, Protean Electric только в 2016 году получил инвестиции в размере 70 млн. долл. США на строительства завода по выпуску электромобилей на основе мотор-колес. 

В то же время на рынке РФ, за исключением специальных многоосных платформ и электробуса, планируемых к выпуску ПАО «КАМАЗ», сравнительно мало отечественных разработок, которые планируются к запуску в серийное производство. Одной из таких разработок является электробус ПАО «КАМАЗ». 

Острая необходимость в проведении НИОКР вызвана намечающимся технологическим отставанием отечественных автопроизводителей на рынке гибридных и электрических автомобилей. Заместитель генерального директора ПАО «КАМАЗ» – директор по развитию И.Ф.Гумеров подчеркивает: «Мы прогнозируем бурное развитие данного направления в ближайшее время, так как оно позволяет автопроизводителям беспилотных колесных транспортных средств создавать более качественные и клиентоориентированные решения, обеспечивая необходимый уровень конкурентоспособности предприятия и его продукции».

Таким образом, по мнению авторов этой разработки, реализация проекта принесет существенную выгоду автопроизводителям РФ и позволит устранить отставание в развитии электрического и гибридного автотранспорта.

Предлагаемое мотор-колесо может быть установлено непосредственно в ободе колеса и использует редкоземельные магниты.

Использование редкоземельных постоянных магнитов позволяет резко снизить массо-габаритные характеристики и увеличить удельные энергетические характеристики электроприводов. Это является крайне важным для подрессоренных мотор-колес, поскольку размер электропривода ограничивает ход подвески. Простота конструкции позволяет снизить цену и начать массовое производство. 

Цель проекта: 

Разработка экспериментального образца «умного» подрессоренного мотор-колеса для увеличения управляемости и проходимости оснащенных ими робототехнических комплексов (РТК) и БПТС.

Колесо будет способно передавать данные и управляться в онлайн режиме. Результаты реализации данного проекта заложат основу новому направлению фундаментальных и прикладных исследований в области РТК и БПТС – цифровым подрессоренным мотор-колесам с системами диагностики и сенсоров, объединенных в единую конструкцию с электроприводом. 

К конечным целям внедрения разрабатываемых мотор-колес можно отнести: 

  • улучшение мобильности, маневренности и, следовательно, условий работы для других сенсорных и видеосистем РТК и БПТС (за счет возможности разворота на месте); 
  • повышение плотности движения (за счет уменьшения радиуса поворота и обеспечение въезда (выезда) из строя под любым углом, дополнительной синхронизации положения ближайших РТК и БПТС (по датчикам положения роторов электроприводов и колес); 
  • снижение площади для складского хранения и парковки (парковка под прямым углом); 
  • улучшение проходимости и снижение риска непредвиденных аварий (включая занос и опрокидывание) с вовлечением большого количества участников движения (при использовании 4-х мотор-колес интегрированных с системой гиростабилизации). 

Основной задачей данного проекта является создание мотор-колеса для РТК со следующими техническими характеристиками: 

  • наличие подрессоренности (используемая кинематика позволяет добиться того, что масса электропривода «перенесена» на раму транспортного средства, хотя привод расположен физически в пределах обода колеса);
  • простота конструкции и надежность системы подрессоривания (фактически мотор-колесо имеет минимальное количество деталей, основные из которых сама электромашина и редуктор);
  • высокий КПД электромашины привода (до 97 % при воздушном охлаждении и до 98 % при жидкостном охлаждении в номинальном режиме);
  • снижение габаритов электромашины (для обеспечения максимального хода подвески);
  • повышение удельных энергетических характеристик электромашины (до 2 кВт/кг и более в зависимости от исполнения);
  • минимальная себестоимость производства по сравнению с западными аналогами;
  • улучшенную проходимость, управляемость и маневренность РТК (разворот на месте, парковка под прямым углом, парковка (проезд) в пространство, превышающие размер транспортного средства на удвоенную точность позиционирования БПТС для данной местности с каждой стороны для движимых соседей и равной точности позиционирования для данной местности с каждой стороны для недвижимых соседей, деревьев и т.д.);
  • сокращение тормозного пути за счет тонкого управления тормозным усилием (с рекуперацией) на грани проскальзывания колес (супер-ABS);
  • замыкание контура обратной связи для обеспечения оптимального сцепления колеса с подстилающей поверхностью на любых грунтах и улучшение управляемости РТК и БПТС;
  • повышение ремонтопригодности транспортного средства (за счет вывешивания мотор-колеса и взаимозаменяемости).
  • возможность продолжения движения многоосных платформ с одним или несколькими неисправными мотор-колесами (за счет вывешивания неисправных мотор-колес). 

Возможность достижения заявленных целей частично подтверждена при создании действующего макета на основе редкоземельных постоянных магнитов.

Автором проекта осуществлена эскизная разработка мотор-колеса, создан действующий макет и идет проектирование электродвигателя.

По сравнению с зарубежными аналогами, заявителем запатентовано простое решение проблемы подрессоривания, позволяющее существенно уменьшить габариты электропривода, а также до 6 - 7 раз снизить стоимость мотор-колеса, решить основную проблему электротранспорта – возможность расположения электропривода колеса непосредственно в ободе колеса. Ранее это не было возможно из-за большой неподрессоренной массы мотор-колес и дороговизны имеющихся решений для подрессоренных мотор-колес.

Технический результат, обеспечиваемый предлагаемым мотор-колесом, заключается в снижении размеров и массы мотор-колеса, улучшении динамических свойств транспортного средства, снижении вибраций, передаваемых на кузов транспортного средства, и повышении удобства езды, а также существенном упрощении конструкции мотор-колеса и стоимости его производства. 

Схема предлагаемого варианта реализации представлена на рисунке (без амортизационных пружин): 

Проект-2_Схема варианта реализации_без пружин

 

Условные обозначения:  
1 –колесо, 2 – механическая передача с параллельными осями (ременная, цепная, зубчатая), 3 – электродвигатель, 4 – корпус автомобиля массой G. 

При зафиксированном колесе 1 и при подачи и снятии момента на двигателе 3 корпус 4 будет совершать перемещения в вертикальной плоскости Х2. При зафиксированном корпусе 4 и моменте на электродвигателе 3 колесо будет совершать перемещения Х1.

Таким образом, можно управлять положением одного колеса в вертикальной плоскости независимо от остальных 3 или поднимать и опускать корпус автомобиля во время движения на всех 4 колесах. При этом подъем кузова происходит во время разгона и опускание кузова во время торможения. Это позволяет активно демпфировать колебания, возникающие при наезде колеса на препятствие. 

Пример конкретного исполнения колеса

Общий вид, вид сбоку и сверху. 

Проект-2_Пример исполнения мотор-колеса_Общий видПроект-2_Пример исполнения мотор-колеса_Вид сверхуПроект-2_Пример исполнения мотор-колеса_Вид сбоку

 

 

Результаты экспертизы

Экспертиза проводилась экспертами следующих организаций (апрель 2017 г.)

ФГБНУ «Дирекция научно-технических программ», ФГБУ «ГНИИЦ РТ» МО РФ, ФГБУ «3 ЦНИИ» МО РФ, Вологодский государственный университет, СПб ГАСУ, ФГБУН «Институт машиноведения им. А.А.Благонравова» РАН. 

Вывод экспертизы:   
Проект разработки экспериментального образца подрессоренного мотор-колеса для робототехнических комплексов в интересах Вооружённых Сил Российской Федерации требует доработки с учетом рекомендаций и замечаний экспертов.  

∗∗∗∗∗   
27.10.2017г. 
Источник: ГУНИД Минобороны РФ 

Справка 

Проработка проектов для достижения целей экспертизы проводилась несколькими методами, а именно эвристическим (заключения экспертов, организаций и заинтересованных органов военного управления), измерительным и регистрационным (проведение апробации или оценочных испытаний). 

Более 340 перспективных инновационных разработок и технологий предварительно были отобраны специалистами органов военного управления, научно-исследовательских организаций и военно-учебных заведений Минобороны России в период проведения форума "АРМИЯ-2017". 

Посмотреть проекты можно в блоге ГУНИД Минобороны на нашем сайте. 

Комментариев еще нет.

Оставить комментарий

Вы должны войти Авторизованы чтобы оставить комментарий.

Партнеры