Introduktion av koncepten

Drivlinekonceptet för ELBA 2014 innefattade en elektromagnetisk koppling som förbrukade 15 W, vilket motsvarar cirka 10 % av framdrivningseffekten, vid ingrepp. Detta faktum gav upphov till en idé om en självlåsande lösning; en som endast behöver energi vid in- och urkopplingsfasen och som är självhämmande när önskad position har nåtts. Vid konstruktionen av drivlinan för ELBA år 2015 var målet att så långt som möjligt eliminera den effektförbrukande kopplingen och konceptet som valdes i tidigt stadium var en friktionskoppling.

4.1.1 Koncept 1

Då koncept 1 utvecklades hade den lilla elmotorn ej introducerats och därför såg kravspecifikationen något annorlunda ut för efterföljande koncept, men principiellt följde samma idé.

Kravspecifikationen på drivlinan:

1) Kunna driva bilen framåt med förbränningsmotor utan interferens från elmotorn. 2) Kunna driva bilen framåt med elmotorn utan interferens från förbränningsmotorn.

3) Ladda superkondensatorn med hjälp av inbromsning med elmotor utan interferens från förbränningsmotorn.

4) Ladda superkondensatorn med hjälp av förbränningsmotorn medan bilen körs. 5) Hävarmarna ska styras av linjäraktuatorer.

Figur 13. Prototyp 1 ovanifrån med artikelnummer.

Konstruktionen var tänkt att fungera genom att förbränningsmotorn är kopplad till drivaxeln genom en centrifugalkoppling. Detta gör att denna kan kopplas in genom en ökning av motorns varvtal och kopplas ut genom att släppa på gasen.

Det stora kugghjulet (art.nr 404) i Figur 13 är lagrat mot drivaxeln med kullager och kan förskjutas axiellt. Genom att förflytta kugghjulet med hjälp av hävstängerna pressas detta mot flänsen och elmotorn kopplas in med hjälp av friktion. Beroende på önskad funktion tillåter detta koncept elmotorn att användas både för framdrivning och regenerering av bromsenergi. Det senare genom att driva med förbränningsmotorn och bromsa med elmotorn.

Utvärdering av koncept

Den största nackdelen med denna design är att förbränningsmotorn måste gå på tomgång då den inte driver, eftersom motorn saknar en startmotor och centrifugalkopplingen enbart kan överföra moment från motor till axel och inte från axel till motor (se kapitel 3.4.3 Centrifugalkoppling). Det innebär att motorn inte går att starta med hjälp av rörelseenergin i bilen. Detta visade sig vara en stor nackdel då mektronikstaben ställde krav på att driva ELBA med ICE under 10 % av driftstiden och detta koncept skulle innebära en oacceptabel bränsleförbrukning under tomgång. Dessutom kräver en kuggväxel väldigt hög noggrannhet för att kugghjulen ska gå med låga förluster. Eftersom drivlinan byggs för hand riskerade denna lösning leda till komplikationer med uppriktningen av kugghjulens rotationsaxlar då dessa måste vara parallella. Eftersom kugghjulen förflyttas axiellt ansågs en optimal gång vara jämförelsevis svåruppnådd. En mer förlåtande lösning kunde vara tillämpningen av kedjedrift, vilken dessutom skulle tillåta en friare positionering av motorer. För övrigt är den koniska delen (artn.nr 403) tung och kan integreras i kugghjulet med art.nr 404.

4.1.2 Koncept 2

Vid detta stadium hade en tredje, mindre elektrisk motor introducerats till drivlinan. På grund av dess förhållandevis ringa effekt fanns det möjlighet att montera den stumt på axeln utan att kunna koppla ifrån. Det spelade med andra ord ingen roll att den skulle bromsa då den inte drev fordonet eftersom denna inbromsning skulle leda till en uppladdning av superkondensatorn. Den lilla elmotorn skulle även hjälpa den stora vid acceleration.

Förutom föregående krav introducerades kravet att kunna starta förbränningsmotorn antingen med hjälp av elmotorn eller bilens rörelseenergi för att kunna undvika tomgångskörning av förbränningsmotorn.

Figur 14. Prototyp 2.

För att det nya kravet skulle uppfyllas avlägsnades centrifugalkopplingen. Dessutom byttes kuggväxeln ut mot kedjehjul och kedjor med något lägre verkningsgrad, jämfört med en optimal kuggväxel, men med färre inställningar som riskerar att gå fel samt en förenklad placering av motorer. Konceptet fungerar genom att två glidlagrade hylsor tillåts löpa längs med axeln. På dessa hylsor (art.nr 406) är kedjehjulen lagrade med kullager men fixerade i axialled. Detta medför att när hylsorna förflyttas axiellt med hävarmarna så flyttas även kedjehjulen. Lagringen rotationellt är nödvändig eftersom hylsan inte får rotera för att möjliggöra infästning i hävarmarna (art.nr 408) medan dreven roterar. Hävarmar flyttar hylsorna längs axeln och pressar således kedjehjulen mot flänsen (art.nr 407), som med klämförband är fäst på axeln. Friktionen som uppstår gör att kedjehjulet kopplas ihop med axeln och vridmoment kan därmed överföras. För att maximera momentöverföringen, samt minimera slitage, sitter bromsklossar monterade på flänsen (art.nr 407) så långt ut radiellt som möjligt och på detta sätt ökar radien för angreppskraften i kopplingen för att maximera det överförbara vridmomentet.

Utvärdering av koncept

En nackdel med detta koncept är att eftersom ICE har en vertikal utgående axel måste en vinkelväxel användas för att få kedjorna att gå i samma plan som kedjehjulen. Verkningsgraden hos vinkelväxlar i den aktuella prisklassen är låg och till stor del okänd, detta på grund av bristande utredning av tillverkaren, dock finns vinkelväxlar med generellt god verkningsgrad mellan 93 % - 99 %. Dessa är dock ofta i storleksklassen större än vad som är nödvändigt här. Denna konstruktion kräver att all effekt från ICE:s utgående axel går genom denna vinkelväxel och fler förluster blir dessvärre introducerade till systemet. Trots förluster som uppkommer till följd av användningen av en vinkelväxel garanterar de ansvariga för ICE att kombinationen av motorn med vertikal axel och vinkelväxel är betydligt effektivare än motorn med horisontell axel. Detta beror på att motorn med vertikal axel har högre verkningsgrad och levererar så pass mycket högre effekt vid samma bränsleförbrukning som den med horisontell axel.

4.1.3 Koncept 3

Figur 16. Vy bakifrån med artikelnummer för koncept 3.

Ett försök att åtgärda nackdelen i koncept 2, att all effekt från ICE passerar genom vinkelväxeln gjordes.

Genom att välja vilka kopplingar som ska vara i ingrepp och isärkopplade kan nu alla funktioner åstadkommas:

● Ladda superkondensatorn från ICE utan att effekt förloras i vinkelväxeln ● Regenerativ inbromsning av bilen utan interferens av ICE

● Hålla bilen i konstant hastighet med den lilla elmotorn utan interferens av de andra motorerna

● Starta ICE med bilens rörelseenergi ● Starta ICE med den stora elmotorn

● Accelerera bilen med stora elmotorn utan interferens av ICE

Detta koncept tillåter att ICE driver den stora elmotorn som en generator utan att effekt går förlorad i vinkelväxeln. Däremot när elmotorn ska bromsa eller accelerera bilen måste denna effekt passera genom vinkelväxeln och en fullständig eliminering av effektförlusterna i vinkelväxeln var till synes ogenomförbar.

Utvärdering av koncept

Nackdelen med denna konstruktion är att den kräver väldigt mycket plats och även tre individuella kopplingar. Den blir alltså stor, tung och besvärlig att tillverka.

Figur 17. Kopplingens (art nr. 411) högra friktionsyta är tänkt att löpa på en egenkonstruerad splinesaxel. Denna konstruktion leder även till stora svårigheter gällande koncentritet mellan axelpartierna. Till skillnad från föregående koncept är nu axeln delad, medan tidigare koncept har haft en genomgående axel. Som lösning till detta problem utforskades möjligheten att konstruera ytor av konisk natur. En konisk design skulle tillåta axlarna att rikta in sig mot varandra vid ingrepp, det vill säga en tillräckligt god koncentritet mellan rotationsaxlarna skulle kunna uppnås. En sådan design skulle även minska den nödvändiga kraften som behövs för att uppnå ingrepp. Anledningen till detta är för att den koniska kopplingen kilar fast sig och därmed kan överföra ett högre vridmoment vid samma axialkraft. Detta behandlas i närmare detalj i kapitel 5.