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
3b1 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 przebie- gami generowanymi przez rzeczywiste silniki elektryczne. Wyniki analiz przedstawiają wpływ masy silnika zamon- towanego 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-suspen- sion 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
1. WSTĘP
Przewiduje się, że w perspektywie kilku lat znacząco wzro- śnie liczba pojazdów z napędem elektrycznym. Przyczyną takiego wzrostu jest możliwość zmniejszenia zużycia pa- liwa i emisji związków toksycznych spalin do atmosfery.
Podstawowymi zaletami napędu elektrycznego są: prostota układu napędowego, łatwość sterowania i obsługi, cicho- bieżność pojazdu, oraz brak spalin emitowanych do atmos- fery [4], a także niższy koszt jednego kilometra przebiegu i eksploatacji pojazdu. Kolejną zaletą pojazdu elektrycz- nego jest zdolność do odzyskiwania energii w czasie hamo- wania dzięki zastosowanym w nim systemom. Wadami po- jazdów elektrycznych są nadal: duża masa, mała pojem- ność elektryczna akumulatorów, utrata pojemności aku- mulatorów w niskich temperaturach. Obecnie zasięg pojaz- dów elektrycznych jest wyraźnie mniejszy niż w pojazdach napędzanych silnikami spalinowymi, a czas ich ładowania jest wyraźnie dłuższy niż czas tankowania paliwa. Obcią- żenie układu dodatkowymi odbiornikami, takimi jak np.
klimatyzacja czy też inne urządzenia zużywające energię elektryczną, powoduje zmniejszenie zasięgu pojazdu. Po- mimo tych niedogodności producenci samochodów starają się w swojej gamie wyrobów mieć kilka pojazdów z napę- dem 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 odpo- wiednio wysokich parametrów jezdnych, należy zastosować napęd z czterema silnikami.
Wymiary geometryczne opracowanego silnika zostały dopa- sowane do 17" obręczy koła (rys. 1). Dostępna dla konstruk- tora silnika przestrzeń projektowa jest ograniczona jej śred- nicą zewnętrzną, kształtem, odsadzeniem (ET) oraz wielko- ścią bębna hamulcowego, który jest zabudowany w silniku (jeżeli jest uwzględniony w układzie hamulcowym).
Rys. 1. Model 3D silnika SMzs200S32 produkcji KOMEL
Silnik jest montowany do belki poprzez tarczę kotwiczną (rys. 2). Podzespoły silnika można podzielić na elementy stałe i elementy ruchome, przez które przenoszony jest mo- ment obrotowy bezpośrednio na koło pojazdu.
Rys. 2. Widok montażu silnika SMzs200S32 produkcji KOMEL w kole oraz belce zawieszenia
Mankamentem opracowywanego rozwiązania jest masa sil- ników elektrycznych wbudowanych w koła, która dla przedstawionego silnika SMzs200S32 wynosi około 30 kg.
Tak duża masa może mieć wpływ na właściwości jezdne pojazdu oraz wytrzymałość elementów konstrukcyjnych podwozia. Celem niniejszej pracy jest sformułowanie mo- delu opisującego zjawiska dynamiczne układu tylnego za- wieszenia z silnikami wbudowanymi w koła, który posłuży do analizy wpływu zmiany masy części stałych i wirują- cych 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 pa- rametry 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, wpro- wadzając do konstrukcji kół zmiany wynikające z zamon- towania w nich silników elektrycznych. Na rys. 3 pokazano widok modelu tylnego zawieszenia wraz z opisem znajdu- jących się tam podzespołów. Modele bryłowe wszystkich części wykonano w pakiecie Autodesk Inventor.
Tarcza kotwiczna
Rys. 3. Model symulacyjny tylnego zawieszenia
Podczas modelowania wprowadzono pewne uproszcze- nia:
• wpływ masy nadwozia na ruch układu uwzględniono przez zamocowanie na jednym końcu sprężyny zawie- szenia masy skupionej, której wielkość jest równa po- łowie 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, sto- janu oraz wirnika są takie jak w rzeczywistym silniku elektrycznym,
• w elementach konstrukcyjnych pominięto rowki, sfa- zowania itp., które utrudniają import części do pa- kietu UW, a mają znikomy wpływ na dynamikę układu,
• wpływ przedniego zawieszenia na ruch układu jest po- minięty,
• kontakt między jezdnią a oponą modelowany jest z użyciem standardowego elementu kontaktowego do- stępnego w pakiecie MSC.Adams/View, co jest do- puszczalne dla analizowanego ruchu prostoliniowego [6]. W przypadku złożonych manewrów należałoby za- stosować inne modele opony np. Pacejki [5].
Parametry fizyczne modelu zestawiono w pracy [1].
W trakcie symulacji analizowana jest dynamika zawiesze- nia podczas najazdu na przeszkodę (rys. 4). Ruch układu jest realizowany przez wymuszenie kinematyczne. Wymu- szenie 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
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 zobra- zowano na rys. 5.
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 prze- jazdu przez przeszkodę w postaci kątownika (PK) oraz eu- rodeski (PE). Prędkość jezdni w trakcie symulacji narasta zgodnie z wielomianem piątego stopnia, osiągając przed najazdem na przeszkodę stałą wartość równą odpowiednio
8, 12, 16 km h .
Na rys. 6 pokazano przykładowe przemieszczenia środka koła podczas najazdu na przeszkodę z różnymi prędko- ściami otrzymane dla silnika, którego parametry masowe odpowiadają prototypowemu silnikowi elektrycznemu.
W przypadku obu przeszkód przemieszczenia środka koła rosną wraz ze wzrostem prędkości przejazdu przez prze- szkodę. 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.
Połączenie sferyczne
z ostoją Koło z wbudowanymi
silnikami elektrycznymi Dodatkowa masa
v
belka amortyzator
sprężyna zawieszenia
W przypadku eurodeski nie ma większych różnic między przebiegiem uzyskanym dla prędkości km8
h oraz 12 km h . Znaczące większe przemieszczenia otrzymano dla prędkości
16 km h .
a)
b)
Rys. 6. Przemieszczenie środka koła podczas najazdu na:a) ką- townik; 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.
a)
b)
Rys. 7. Przebieg siły kontaktowej między jezdnią i oponą pod- czas najazdu na kątownik (a) oraz 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 prze- szkodę. Uzyskane wyniki pokazano na rys. 8 oraz rys. 9.
Analizując otrzymane wyniki można zauważyć, że w ba- danym zakresie wartości masy wirnika i stojana, prze- mieszczenia 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 bar- dziej widoczny dla jazdy z większymi prędkościami np. w czasie jazdy po łuku lub podczas manewru zmiany pasa ruchu.
24 25 26 27
s [m]
-0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04
[m]
v8 v12 v16
22,2 10,6 K
S W P
24 25 26 27
s [m]
-0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04
[m]
v8 v12 v16
22,2 10,6 K
S W P
24 25 26 27
s [m]
0 2000 4000 6000 8000 10000
F K[N]
v8 v12 v16
22,2 10,6 K
S W P
24 25 26 27
s [m]
0 2000 4000 6000 8000 10000
F K[N]
v8 v12 v16
22,2 10,6 K
S W P
Rys. 8. Maksymalne przemieszczenie środka koła
Rys. 9. Maksymalna siła kontaktu między jezdnią i oponą Przeszkoda K, masa stojana 24 kg
Przeszkoda E, masa stojana 24 kg
Przeszkoda K, masa wirnika 12 kg
Przeszkoda E, masa wirnika 12 kg
Przeszkoda K, masa stojana 24 kg
Przeszkoda E, masa stojana 24 kg
Przeszkoda K, masa wirnika 12 kg
Przeszkoda E, masa wirnika 12 kg
4. WNIOSKI
W pracy przedstawiono model dynamiki tylnego zawiesze- nia pojazdu z wbudowanymi silnikami elektrycznymi. Pro- totypy takich silników są produkowane przez Instytut Na- pędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL. Własności kon- strukcyjno-technologiczne sprawiają, że masa tych silni- ków jest duża i może mieć wpływ na dynamikę pojazdu.
W pracy analizowano wpływ modyfikacji masy części sta- łych i wirujących silnika wbudowanego w piastę koła na odpowiedź dynamiczną układu. Podczas badań symulacyj- nych analizowano manewr polegający na przejeździe po- jazdu 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 moż- liwości konstrukcyjno-technologicznych, jakie obecnie ist- nieją. 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 manew- rów jak jazda po łuku, czy zmiana pasa ruchu z odpowied- nio większymi prędkościami.
Projekt „Innowacyjne Rozwiązania Napędu Bezpośred- niego Pojazdów Elektrycznych”, współfinansowany ze środ- ków NCBiR w ramach programu LIDER VII, zgodnie z umową: LIDER/24/0082/L-7/15/NCBR/2016
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. „Ma- szyny Elektryczne: Zeszyty Problemowe” 2018, Nr 1 (117), s. 75-80.
2. Dzida J.: Porównanie różnych sposobów kierunkowego napędzania pojazdów silnikami elektrycznymi. „Napędy i Sterowanie” 2017, no 2, s. 50÷55.
3. Ehsani M., Gao Y., Gay S. E., Emadi A.: Modern electric, hybrid electric and fuel cells vehicles, fundamentals, theory and design. London: CRC Press, 2004, p. 99÷116.
4. Merkisz J., Pielecha I.: Układy elektryczne pojazdów hybrydowych. Poznań: Wyd. Pol. Poznańskiej, p 12÷19, 139÷154.
5. Pacejka H. B.: Tire and vehicle dynamics. SAE, Warrendale 2006,
6. Parczewski K., Wnęk H.: Impact of tire inflation pressure during overcoming of road unevenness. In: Proceedings of 21th International Conference Transport Means. Kaunas, 2017, part 1, p. 154-157
Artykuł dostępny na podstawie licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0 Polska.
http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/pl
