Konstruktion av drivlina till Shell Eco Marathon-bil
Daniel Roshanghias Filip Kaiserfeld Fonser Ramtin Massoumzadeh Rhythm Sheikh Kabir
Fil
Examensarbete Stockholm, Sverige 2015
Konstruktion av drivlina till Shell Eco Marathon- bil
Daniel Roshanghias Filip Kaiserfeld Fonser Ramtin Massoumzadeh
Rhythm Sheikh Kabir
Examensarbete MMKB 2015:73 MKNB 084 KTH Industriell teknik och management
Maskinkonstruktion SE-100 44 STOCKHOLM
Examensarbete MMKB 2015:73 MKNB 084
Konstruktion av drivlina till Shell Eco Marathon- bil
Daniel Roshanghias Filip Kaiserfeld Fonser Ramtin Massoumzadeh
Rhythm Sheikh Kabir
Godkänt
2015-06-05
Examinator
Ulf Sellgren
Handledare
Mikael Hellgren
Uppdragsgivare
Peter Georén
Kontaktperson
Mikael Hellgren
Sammanfattning
Denna rapport beskriver processen och utvecklingen av en drivlina för KTH:s bidrag till tävlingen Shell Eco Marathon. Konceptet är tänkt att bringa en helt ny lösning till det föregående årets drivlinesystem. En komplexhybrid som bygger på tre motorer, där två utgjordes av elektriska motorer och den tredje var en förbränningsmotor, utvecklades.
För att upprätta en välstrukturerad arbetsplan tillämpades den välrenommerade produktutvecklingsprocessen känd som Ulrich & Eppingers modell. Denna bygger på ett antal faser som följs för att upprätthålla en hög kvalité genom hela fortskridandet av arbetet.
Avgränsningar tillrättades för att begränsa omfattningen av arbetet till en mer realiserbar och hanterbar mängd inom ramarna för detta projekt. Modellavgränsningarna innefattar ekonomiska såväl som finansiella aspekter då produktutvecklingsmodellen är betydligt mer ingående än vad detta projekt fordrar.
Den slutgiltiga produkten togs fram utifrån en iterativ process. Vid konceptgenereringen låg form och funktion ständigt till grund för de beslut som fattades med produktutvecklingsprocessen i åtanke. Utvärdering av dessa medförde att krav och mål dynamiskt ändrades under arbetets gång. Informationssökning om olika befintliga lösningar gjordes för att bygga upp en referensram vilken agerade riktlinje vid beslutsfattande.
Visualisering av prototyper och dess ingående komponenter modellerades i form av CAD-bilder för att underlätta beskrivningen om vilka funktionerna var och avsåg att ge insikt om hur de olika prototyperna har itererats fram till en slutgiltig sådan. Matematiska modeller har legat till grund vid dimensionering av särskilda komponenter. FEM-modellering av kritiska komponenter utgjorde ett hjälpmedel vid utvärdering av hållfasthet på dessa.
Den resulterande produkten bestod dels av egenframtagna, men även av befintliga lösningar.
Vad gäller syftet, att ta fram en egentillverkad fysisk produkt med de kunskaper som inhämtats under projektets gång, anses detta vara uppfyllt.
Drivlinan vägde 5,25 kg, hade strax över 20 komponenter och kunde överföra mer moment än det uppsatta kravet på 7 Nm.
Nyckelord: Drivlina, Konstruktion, Produktframtagning, Shell Eco Marathon
Bachelor Thesis MMKB 2015:73 MKNB 084
Construction of drivetrain for a Shell Eco Marathon car
Daniel Roshanghias Filip Kaiserfeld Fonser Ramtin Massoumzadeh
Rhythm Sheikh Kabir
Approved
2015-06-05
Examiner
Ulf Sellgren
Supervisor
Mikael Hellgren
Commissioner
Peter Georén
Contact person
Mikael Hellgren
Abstract
This bachelor thesis aims to describe the process of developing a drivetrain for KTH’s contribution for the competition Shell Eco Marathon. The concept developed is meant to produce a completely new drivetrain in relation to previous year’s solution. The solution developed was a complex hybrid, which contains three motors, two of which are electric and one is combustion.
To establish a well-structured work plan, the product development model developed by Ulrich &
Eppinger was applied during the project. The model is based on several phases meant to ensure high quality throughout the project. Several limitations were set for the prerequisite of this thesis paper to make it manageable. Product development model limitations include economical and financial aspects.
The final product was developed through an iterative process. Form and function was constantly in focus when concept generating for the reasoning behind the decisions made in accordance to the product development model. The assessment of these meant that the goals and demands were dynamically changing throughout the project. Information of existing solutions also acted as guidelines for decision-making.
Visualization of prototypes and its components were realized using CAD to facilitate the description of the functions and in turn illustrate how the prototypes were developed.
Mathematical models were used for dimensioning of parts. FEM calculations were made for some critical components and were used as aid for evaluating the strength of these components.
The resulting product had unique and existing solutions in its composition. A physical drivetrain was delivered and so the purpose of this bachelor thesis was met.
The drivetrain weighed 5.25 kg, had little over 20 components and could transfer more torque than the target of 7 Nm.
Keywords: Construction, Drivetrain, Product Development, Shell Eco Marathon
FÖRORD
Detta avsnitt avser att tacka de som på ett betydande sätt bidragit till förverkligandet av detta arbete, antingen genom bistånd eller hjälp.
Detta är ett kandidatexamensarbete skrivet inom Maskinkonstruktion vid skolan ITM på KTH.
Stort tack måste ges till Jan Stamer på institutionen för industriell produktion, utan vars hjälp och ovärderliga rådgivning detta projekt aldrig skulle vara möjligt.
Vi vill rikta ett stort tack till vår handledare Mikael Hellgren som varit en stor inspiratör, en god rådgivare och en ytterst konstruktiv kritiker.
Vi vill även tacka vår examinator Ulf Sellgren och delansvarige Kjell Andersson för allehanda återkoppling, engagemang och vägledning under genomförandet av arbetet.
Vi vill också tacka SKF:s representanter Daniel Werme och Jenny Roos för det inledda sponsorskapssamarbetet och de möjligheter detta gav oss i vårt konstruerande och våra tester.
Stockholm, den 15 maj 2015
Daniel Roshanghias Filip Kaiserfeld Fonser
……… ………
Ramtin Massoumzadeh Rhythm Sheikh Kabir
……… ………
NOMENKLATUR
Detta kapitel avser att först lista de beteckningar och sedan de förkortningar som används i detta examensarbete, i alfabetisk ordning.
Beteckningar
Symbol Beskrivning
E Elasticitetsmodul (Pa)
r Radie (m)
t Tjocklek (m)
𝑃𝐷 Diagrameffekt (W)
k Belastningsfaktorn
fy Stötkoefficientsparameter
fz Tandantalsparameter
fi Utväxlingsparameter
fa Axelavståndsparameter
p Kedjans delning
Dd Delningsdiameter (större kedjehjulet) (m) dd Delningsdiameter (mindre kedjehjulet) (m)
A Centrumavstånd (m)
X Antalet kedjelänkar
L Kedjelängd (m)
Mv Vridmoment (Nm)
P Nominell effekt
n Varvtal
Fmax Maximal dragkraft på kedja
PLmax Maximal lagertryck mellan bult och hylsa
f Lageryta (cm2)
v Periferihastighet för kedja
i Utväxling
𝑧1 Antal tänder (på det stora/större kedjehjulet) ingående axel 𝑧2 Antal tänder (på det lilla/mindre kedjehjulet) utgående axel 𝑧𝑖𝑛 Antal tänder (på det stora/större kedjehjulet) ingående axel 𝑧𝑢𝑡 Antal tänder (på det lilla/mindre kedjehjulet) utgående axel
Förkortningar
CAD Computer Aided Design
Matlab Matrix Laboratory
ICE Internal Combustion Engine (Förbränningsmotor)
FEM Finita element metoden
Artikelnummer
Under rapportens gång refereras olika komponenter till dess artikelnummer.
401 – Centrifugalkoppling 402 – Tryckanordning 403 – Konisk fläns 404 – Stort kugghjul 405 – Lättat drev/tryckyta 406 – Hylsa
407 – Fläns 408 – Hävarm
409 – Hävarmshållare 410 – Vinkelväxel 411 – koppling 412 – ICE
413 – Stor elmotor 414 – Liten elmotor
501 – Lagerhus och tryckanordning 502 – Hylsa
503 – Mässingsdistans 504 – Urfräst spår i axel 505 – Skruv M3
506 – Lager 507 – Hävarm 508 – Linjäraktuator 509 – Konisk fläns 510 – Konisk kopp
511 – Hävarmstryckanordning 512 – Axialstopp
513 – Hävarm 514 – Hylsa 515 – Remhjul 516 – Fläns 517 – Lagerhus
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
1 INTRODUKTION ... 11
1.1BAKGRUND ... 11
1.2SYFTE ... 11
1.3AVGRÄNSNING OCH KRAV ... 11
1.4INFORMATIONS- OCH KUNSKAPSSÖKNING ... 12
1.5PROBLEMBESKRIVNING ... 12
2 METODIK ... 15
2.1PROCESS ... 15
2.1.1MODELLAVGRÄNSNINGAR ... 17
2.2PLANERING ... 18
2.2.1RISKANALYS ... 18
2.2.2GANTT-SCHEMA ... 18
2.3VERKTYG ... 18
2.3.1PUGH-MATRIS... 18
2.3.2MATLAB ... 18
2.3.3SOLID EDGE ... 19
3 REFERENSRAM... 20
3.1EN DRIVLINAS SYFTE ... 20
3.2HYBRIDBIL ... 20
3.3ÅR 2014:S LÖSNING (ELBA) ... 21
3.4KOPPLINGSMETODER ... 21
3.4.1ELEKTROMAGNETISK KOPPLING ... 21
3.4.2LAMELLKOPPLING ... 21
3.4.3CENTRIFUGALKOPPLING ... 22
3.5KRAFTAPPLICERING ... 23
3.5.1LINJÄRA AKTUATORER ... 23
3.6TRANSMISSIONER ... 23
3.6.1KEDJEHJULSDRIFT/-TRANSMISSION ... 23
3.6.2KUGGREMSDRIFT/-TRANSMISSION ... 23
3.6.3KUGGHJULSDRIFT/-TRANSMISSION ... 24
4 VAL AV HELHETSKONCEPT ... 25
4.1INTRODUKTION AV KONCEPTEN ... 25
4.1.1KONCEPT 1 ... 25
4.1.2KONCEPT 2 ... 27
4.1.3KONCEPT 3 ... 28
4.2MOTIVERING AV VALT KONCEPT ... 30
5 UTVECKLING AV VALT KONCEPT ... 31
5.1UTVECKLAD KRAVSPECIFIKATION ... 32
5.1.1MOTORER ... 34
5.2TESTRIGG ... 34
5.3KORRIGERING AV DESIGN ... 37
5.4MONTERING ... 43
5.5DIMENSIONERING AV DREV OCH KEDJOR ... 45
5.5.1DIMENSIONERING AV DREV... 45
5.5.2DIMENSIONERING AV KEDJA ... 45
5.5LAGERDIMENSIONERING... 47
5.6FEM ... 48
6 PRODUKTFRAMTAGNING ... 53
7 RESULTAT ... 55
8 DISKUSSION OCH REFLEKTION ... 57
8.1PRODUKTUTVECKLINGSPROCESSEN ... 57
8.2MATEMATISK MODELL ... 57
8.3SLUTGILTIG PRODUKT ... 57
8.3.1LINJÄRA AKTUATORER ... 58
8.3.2JÄMFÖRELSE AV TIDIGARE ÅR ... 58
9 REKOMMENDATIONER OCH FRAMTIDA ARBETE ... 59
10 REFERENSER ... 61
BILAGA A: EXTRA INFORMATION ... 63
BILAGA 1–MATLABKOD FÖR KEDJEDIMENSIONERING ... 63
BILAGA 2–TABELL ÖVER KEDJETRANSMISSIONEN ... 64
BILAGA 3–RITNINGAR TILL DRIVLINAN ... 68
BILAGA 4–DATABLAD FÖR ELMOTORER ... 79
1 INTRODUKTION
Detta kapitel avser att ge en bakgrund till ämnesområdet, etablera kontexten och påvisa det aktuella problemet. Därtill konstateras syftet med det utförda examensarbetet, dess avgränsningar och målsättningar.
1.1 Bakgrund
Bilen ELBA utgör KTH:s bidrag till en betydande tävling känd som Shell Eco Marathon. Här utmanas studentteam, som representerar sina skolor världen över, till att själva designa, konstruera, bygga och testa ultraenergieffektiva fordon. Årliga evenemang hålls i Amerika, Europa och Asien och det vinnande laget är det som lyckas få sitt bidrag att färdas en given sträcka med minst förbrukad energi. Evenemanget är tänkt att fungera som en gnista för debatten om framtiden hos fordon, såväl som en inspiration för unga ingenjörer att tänja på gränserna vad gäller bränsleeffektivitet.
1.2 Syfte
Syftet med detta kandidatexamensarbete är att främja användandet av de kunskaper författarna inhämtat under sina hittills genomförda studier på KTH och tillämpa de teorier som anförts under kandidatexamensarbetets kursgång. Vidare ska dessa användas till att utveckla en komplexhybriddrivlina till ELBA, där störst fokus ligger på att denna lösning ska ha en så låg bränsleförbrukning som möjligt. Kandidatexamensarbetet ska ge en inblick i hur det är att arbeta i projekt och hur produktframtagningsprocessen går till, det vill säga hur en produkt går från ”ax till limpa”. Utöver de förslag som lyfts upp som en lösning till komplexhybriddrivlinan kommer deltagarna sättas på prov vad gäller kreativitet och problemlösning. Denna drivlina ska möjliggöra framdrivning av ELBA med olika konfigurationer, vilka är tydligare beskrivna i avsnitt 1.5. Förutom krav på funktion ska drivlinan uppfylla givna kriterier vad gäller vikt och momentöverföring listat i kravspecifikationen i kapitel 5.1.
1.3 Avgränsning och krav
Vad gäller avgränsningar i projektet håller sig arbetet inom ramarna för det uppsatta målet, att leverera en fungerande komplexhybriddrivlina som uppfyller den erhållna utvecklade kravspecifikationen (se kap 5.1). Initialt momentöverförings krav var 3,5 Nm.Vidare tas varken någon större hänsyn till ekonomiska aspekter eller livslängd hos de ingående komponenterna då bilen varken ska massproduceras eller drivas under en längre period. Potentiella problem som kan uppstå till följd av dynamiska egenskaper hos systemet som exempelvis rör egenfrekvenser beaktas inte på grund av tidsskäl. Tillverkning av komplexa komponenter undveks och lämnades på beställning. Vad gäller valet av motorer, vinkelväxel och de delar som följer planetväxeln ligger dessa utanför ramarna för arbetsbelastningen som involverar detta kandidatexamensarbete.
Likaså ligger inget ansvar i att bestämma den mest optimala utväxlingen ur en bränsleförbrukningsaspekt, ändock föreligger ansvaret att utväxlingen uppfylls. Drivlinan har testats och visat sig fungera både i praktiken och teorin. Ansvaret för valet och reglering av linjäraktuatorerna, valet av motorerna samt fastställningen av den optimala utväxlingen tilldelades mekatronikstaben.
1.4 Informations- och kunskapssökning
I dagsläget har ett större antal produktutvecklingsmetoder klargjorts och introducerats. Bland de allra senaste konceptgenereringsmetoder återfinns den internationellt välrenommerade Ulrich &
Eppinger-modellen som granskats enligt rekommenderade principer i informationssökning innan beslut togs att denna bör följas för en strukturerad framtagning av drivlinan. Information och underlag för vilka för- och nackdelar som erhålls av att nyttja modellen har förvärvats genom ett iterativt sökande i ämnesspecifika- och multidisciplinära databaser. Utifrån en välarbetad, syntaktiskt korrekt sökfråga valdes relevanta tidskrifter och artiklar ut som underlag för att undersöka vilka fördelar som fås vid användning av Ulrich & Eppinger-modellen. De valda referenserna finnes i litteraturförteckningen nedan. Den källkritiska utvärderingen grundar sig i ålder, oberoende, äkthet och vinkling. Publikationerna har noggrant undersökts utifrån ovanstående punkter innan dessa har lagts till i litteraturförteckningen. Trots de 19 valda källorna ([1], [2], [3], [5], [7], [8], [9], [10], [11], [13], [14], [15], [16], [18], [19], [21], [22], [23], [24]) anses inte området vara uttömt, men av tillräckligt stort omfång för att kunna ge svar på vilka kvaliteter Ulrich & Eppinger-modellen genererar på ett nyanserat sätt.
Kunskap om tillverkningsprocessen för framtagning av prototypdetaljer har legat till grund för och varit en förutsättning för att detta projekt ska kunna genomföras då en fysisk produkt ska levereras. För att få rätt kunskap och information togs en kurs i grundläggande verkstadsteknik under projektets gång.
1.5 Problembeskrivning
För 2015 var motorkonfigurationen annorlunda från föregående års uppsättning som enbart innefattade en elmotor. Målet för 2015 var ursprungligen att driva bilen framåt med hjälp av två motorer, en elmotor som drivs från en superkondensator och en förbränningsmotor. Elmotorns primära uppgift var att driva fordonet till dess att superkondensatorn börjat bli uttömd för att sedan låta förbrännningsmotorn driva ELBA och samtidigt ladda upp superkondensatorn. Därvid fungerar elmotorn istället som generator. Elmotorns sekundära uppgift var att tillåta omvandling av bilens rörelseenergi till elektrisk energi vid inbromsning. För att kunna regenerera den effekt som förbränningsmotorn levererar krävdes en elmotor på ungefär 1,5kW. Det visade sig att motorer av denna storlek hade en otillräcklig verkningsgrad vid den effekt som krävdes för att hålla bilen i konstant hastighet. Därför introducerades senare i projektet ytterligare en mindre elmotor som hade i uppgift att ta över drivningen av fordonet i konstant optimal hastighet. Den slutgiltiga motorkonfigurationen bestod alltså av tre motorer; en förbränningsmotor, en större elmotor och en mindre sådan enligt Figur 1.
Figur 1. Drivlinekonfigurationen
Denna problembeskrivning var dynamisk och ändrandes i förhållandevis stor omfattning under projektets första halva och detta innebar att koncepten som genererades också behövde vara dynamiska och öppna för modifieringar.
Problembeskrivningen var således att konstruera en koppling och drivlina som tillät drivning och regenerering sinsemellan motorerna.
Den slutgiltiga produkten skulle kunna:
● Driva fordonet enbart med stora elmotorn.
● Driva fordonet med hjälp av enbart lilla elmotorn.
● Driva fordonet med hjälp av enbart förbränningsmotorn.
● Regenerera ström till superkondensatorn med hjälp av förbränningsmotorn via stora elmotorn.
● Ta vara på rörelseenergi vid inbromsning.
Figur 2. Drivning med enbart lilla elmotorn.
Figur 3. Regenerering till superkondensatorn med hjälp av förbränningsmotorn via stora elmotorn.
Figur 4. Drivning med stora elmotorn.
Figur 5. Drivning med förbränningsmotorn.
2 METODIK
Detta kapitel avser att introducera de huvudsakliga metoder med relaterade verktyg som använts för att på ett strukturerat sätt planera och angripa den dessförinnan definierade uppgiften.
2.1 Process
Som tidigare nämnts grundades detta arbete i modellen för produktutveckling som illustreras i Figur 6. Processen grundas i en sekvens av steg eller aktiviteter för att realisera, designa och marknadsföra en produkt. En väldefinierad produktutvecklingsmodell främjar kvalitetsgaranti, god koordination, planering och underlättar ledning samt förbättringar av produkten. Denna produktutvecklingsprocess innefattar sex faser enligt Figur 7 nedan. Hela processen inleds med planeringsfasen vilken innefattar informationssökning om funktion och syfte med produkten.
Syftet med denna fas är att erhålla en övergripande helhetsbild av konceptet vilket är en förutsättning inför nästkommande fas. Under planeringsfasen upprättas en målbild samt en kravspecifikation som utgör grundstenar i hur projektet bör fortskrida. För detta projekt ämnades denna fas till att identifiera vilken funktion och vilka krav som ställdes på 2015 års upplaga av tävlingen Shell Eco Marathon. Generellt är det eftersträvansvärt att en fullständig kravspecifikation upprättas, ty denna spelar en viktig roll vid konceptgenereringen.
Under konceptutvecklingsfasen ska kraven vara tydligt identifierade och alternativa koncept genererade och utvärderade. Utifrån den upprättade kravspecifikationen vidareutvecklades drivlinan på konceptuell nivå i form av CAD-modeller för att tydligare klargöra hur konceptet uppfyllde de uppsatta kraven och för att enklare få en överblick över förbättringsområdena. Detta gjordes i ett tidigt skede för att möjliggöra identifiering av potentiella problem hos det framställda konceptet. Allteftersom konceptutvecklingsfasen fortskred uppdaterades kravspecifikationen när nya behov och begränsningar uppkom (Ulrich och Eppinger 2012).
Den nästkommande fasen, utveckling på systemnivå, ämnar till att definiera hur produkten rent designmässigt är tänkt att se ut, uppdelning av produkten i delsystem och komponenter, samt en preliminär design av nyckelkomponenter. Inledningsvis ska planen för produkten och den slutgiltiga assembleringen vara mer eller mindre klarlagd. I slutet av denna fas ska en tänkt lösning, genererad i form av preliminära ritningar, en beskrivning av delsystemens syfte samt en plan om hur produkten bör fungera, ha färdigställts (Ulrich och Eppinger 2012).
Den fjärde fasen för detaljkonstruktionen innefattar en komplett beskrivning och specifikation för alla ingående komponenter vad beträffar dess geometrier, material och toleranser. Även identifiering av de komponenter som ska införskaffas från leverantörer, samt operationslistor för de komponenter som ska tillverkas fastställs här. Vad beträffade detta projekt skapades en fullständig CAD-modell med alla ingående komponenter med angivelser om mått och hur olika delar ska vara monterade för att erhålla en önskad och effektiv interaktion mellan dem (Ulrich och Eppinger 2012).
Nästa fas bygger på en iterativ process där den färdiga produkten tillverkas och testas. Baserat på tidigare modeller vidareutvecklades konceptet på ett iterativt sätt, enligt Figur 6, för att uppnå det mest tillfredsställande konceptet. Vid utvecklingen är det essentiellt att konceptet verkligen fungerar i praktiken och uppfyller de krav som ställts varför bland annat en testrigg upprättades.
Vidare importerades CAD-modeller till FEM-programmet ANSYS där de mest kritiska komponenterna analyserades. När konceptet var framtaget gjordes en utvärdering baserad på kravspecifikationen för att se om den färdiga prototypen uppfyllde de uppsatta kraven. Utifrån utvärderingen avgjordes sedan vilken eller vilka förbättringar som kunde göras (Ulrich och Eppinger 2012).
Den sista fasen i processen ämnar till att ha en första grundform av produkten. Produkten ska vara ordentligt utvärderad för att kunna identifiera eventuella kvarstående brister i konstruktionen. Vid denna punkt är produkten redo att lanseras och tillgänglig för utspridd distribution. Efter lansering utförs en granskning av produkten där en bedömning genomförs utifrån dels ett kommersiellt och dels ett tekniskt perspektiv som har för avsikt att identifiera framtida förbättringsområden (Ulrich och Eppinger 2012). Denna fas utelämnades helt för detta projekts ändamål.
Figur 6. Ulrich & Eppinger. Ovan illustreras de olika faserna enligt produktutvecklingsprocessen (Ulrich och Eppinger 2012).
Figur 7. De sex faserna enligt Ulrich & Eppingers modell (Ulrich och Eppinger 2012).
2.1.1 Modellavgränsningar
Vad beträffar faserna inkluderas olika delmoment som bör beaktas. Dessa avser marknadsföring, design, tillverkning och övriga funktioner för produkten. Då fokus låg på att producera en fullständig prototyp med de förutsättningar som gavs togs ingen hänsyn till finansiella aspekter i den mening att varken identifiering av kundbehov eller ekonomiska aspekter betraktades.
Aspekter som tillverkningskostnader uppmärksammades till viss del då mer komplicerade komponenter beställdes istället för att tillverkas, men ignorerades delvis då drivlinan ej massproducerades.
Figur 8. De sex faserna där modellavgränsningar är markerade (Ulrich och Eppinger 2012).
2.2 Planering
Planering är en viktig del av produktutvecklingsprocessen. Till förfogandet nyttjades följande hjälpmedel.
2.2.1 Riskanalys
För att effektivt kunna allokera de mänskliga resurserna, fastställa en tillfredsställande planering och på förhand reducera potentiella risker bör en utförlig analys av dessa göras. Den onekligen största begränsningen i detta kandidatexamensarbete var de uppsatta tidsramarna. I och med tiden som begränsad resurs så riskerades delmoment att ej bli genomförda. Utöver detta bör risken för oväntade händelser beaktas och räknas med och det lämpligaste sättet att gardera arbetet mot risker är att inkludera en tidsbuffert i planeringen, vilken tillåter vidtagande av åtgärd i syfte att ställa situationen till rätta. De risker som bedömdes följer enligt punktform:
● Tidsbegränsningen
● Haveri vid test
● Konstruktionsfel
● Leveransfel
● Leveransfördröjning
● Konflikt mellan lagkamrater
Med insikt om vilka potentiella problem som kunde uppkomma till följd av oväntade händelser kunde nödvändiga åtgärder förberedas.
2.2.2 Gantt-schema
Som ett hjälpmedel under projektplaneringsfasen upprättades ett Gantt-schema vars syfte var att illustrera hur olika faser fortlöper under arbetets gång och hur olika moment överlappar varandra. Detta gav en god översikt över vad som skulle göras, hur diverse arbetsuppgifter kunde tilldelas gruppmedlemmarna samt när momenten bör vara avslutade. Det underlättade även att överskåda hur projektet fortskred. Det finns ett flertal fördelar med detta sorts schema, exempelvis underlättar det förmågan att göra riskanalyser baserat på vad som händer om moment ej fortskrider som planerat inom uppsatta tidsramar. Schemat anses vara okomplicerat och överskådligt på grund av dess grafiska illustration. Det bör påpekas att Gantt-schemat som upprättades var generellt för hela Shell Eco Marathon-projektet, då alla subgrupper var beroende av varandras insatser. Schemat var även indelat på en mer specifik nivå där subgruppernas enskilda leverabler presenterades.
2.3 Verktyg 2.3.1 Pugh-matris
För att bedöma hur väl koncepten för drivlinan korresponderade mot den uppsatta kravspecifikationen upprättades en Pugh-matris vilken visade sig vara ett kraftfullt verktyg.
Varje koncept tilldelades poäng baserat på hur väl varje uppsatt krav uppfyllts. Tilldelningen av poäng grundades i om konceptet uppfyllde kraven sämre, likvärdigt eller bättre och motsvarades av siffrorna -1, 0 eller +1.
2.3.2 Matlab
För diverse beräkningar nyttjades beräkningsprogrammet MATLAB. Numeriska interpolationsberäkningar användes vid dimensioneringen av kedjetransmissionen.
2.3.3 Solid Edge
För att konkretisera och visualisera de tänkta prototyperna för drivlinan användes CAD- programmet Solid Edge. Programmet möjliggjorde en tydligare överblick och tillät upptäckandet av eventuella brister. Det är även ett väldigt kraftfullt verktyg för att åskådliggöra konstruktionsprocesser och tillåter 3D-visualisering vilken underlättar förståelse för konstruktionen.
3 REFERENSRAM
Detta kapitel är en sammanfattning av rådande kunskap inom arbetets område. Det är utifrån denna sammanfattning som omfattande hypoteser och utgångspunkten formulerats. Kapitlets inledning utgörs av drivlinans generella syfte och de ingående komponenterna, samt en ytlig förklaring av de mest grundläggande termerna.
3.1 En drivlinas syfte
En drivlina är ett system vars uppgift är att tillåta kraftöverföring mellan motorer och däck.
Systemet består av ett antal tekniska komponenter som transmission, koppling och drivaxel, vilka tillsammans samverkar med motor eller motorer för att driva en bil.
3.2 Hybridbil
En bil som är utrustad med minst en elmotor och generellt sett endast en förbränningsmotor, som tillsammans driver fordonet refereras till som en hybridbil. Denna kombination medför en fördel jämfört med bilar som enbart är utrustade med elmotorer då dessa begränsas av prestandan hos tillhörande batteri och möjligheten att ladda dessa.
Förbränningsmotorer drivs oftast på bränslefluider så som bensin, diesel, etanol eller någon sorts fordonsgas där förbränning av denna bränslefluid omvandlar värmeenergi genom olika processer till ett mekaniskt arbete. Tyvärr lider förbränningsmotorer av relativt låg verkningsgrad som i dagsläget ligger mellan 20-50 % beroende på motortyp och val av bränsle (Eddie Pröckl 2010).
Elmotorer används för att omvandla elektrisk energi som finns lagrad i batterier eller kondensatorer till mekanisk energi eller vice versa. Denna sorts motorer har ofta mindre förluster och därmed en högre verkningsgrad som kan komma upp till 85-95 %, se Bilaga 4.
En seriehybrid är försedd med en förbränningsmotor som endast laddar upp ett batteri via en generator, där själva bilen drivs fram med en elmotor. Eftersom förbränningsmotorer har ett väldigt litet optimalt operationsområde tillåts förbränningsmotorer i dessa bilar att arbeta i detta operationsområde och därmed optimera verkningsgraden. Då förbränningmotorn inte driver bilen finns ingen anledning för fordonet att vara utrustat med komplexa, dyra och tunga växellådor med tillhörande kopplingar och övriga komponenter, vilka i vanliga bilar även drar effekt. Förbränningsmotorn arbetar endast då batteriet behöver laddas och är i övrigt avstängd.
En parallellhybrid är på samma sätt som seriehybriden utrustad med både minst en förbränningsmotor och minst en elmotor. Dessa är dock integrerade i drivsystemet så att båda kan användas vid framdrivningen, enskilt eller tillsammans, ofta med möjligheten att ladda upp batteriet samtidigt som förbränningsmotorn är igång. Elmotorn kan kopplas in vid högre påfrestningar som till exempel vid start, acceleration eller uppförsbackar.
3.3 År 2014:s lösning (ELBA)
Lösningen år 2014 var en så kallad elektromagnetisk koppling och är redovisad mer ingående nedan, se avsnitt kopplingsmetoder, kapitel 3.4.1. Denna visade sig vara onödigt energikonsumerande, med en effektkonsumption på cirka 15W vilken motsvarade cirka 10 % av hela fordonets dåvarande framdrivningseffekt. Kopplingen var inte heller självhämmande, vilket innebar att en konstant och mycket oönskad energiförbrukning krävdes för att hålla kopplingen i ingrepp.
3.4 Kopplingsmetoder
Nedan beskrivs några få kopplingsmetoder som är relevanta.
3.4.1 Elektromagnetisk koppling
När elektromagnetiska kopplingar manövreras flyter ström genom solinoiden som ger upphov till ett magnetiskt fält som magnetiserar rotorn som i sin tur attraherar armaturen. En friktionskraft uppstår mellan rotorn och kopplingsskivan (armature i Figur 9) och vridmoment kan överföras.
Kopplingsskivan kan röra sig axiellt relativt navet (hub i Figur 9) på splines (Ogura Industrial Corporation 2015) (Equinotec u.d.).
Figur 9. Elektromagnetisk koppling (Ogura Industrial Corporation 2015).
3.4.2 Lamellkoppling
Denna kopplar ihop och isär axlar med hjälp av ett godtyckligt antal lameller med friktionsmaterial och som trycks mot en skiva av stål med hjälp av fjädrar vilka alltid trycker vid körning och förenar in- och utgående axel. När denna kopplas ur, ofta genom att trycka in en
”Diaphragm Spring” (se Figur 10) så minskas stålskivans tryck mot lamellen på grund av konstruktionens geometri och lamellen och stålskivan börjar glida mot varandra för att sedan helt frikopplas (HowStuffWorks u.d.). Principen beskrivs med Figur 10.
Figur 10. Lamellkoppling (HowStuffWorks u.d.).
3.4.3 Centrifugalkoppling
Denna koppling baseras i sin grund på tröghets-, friktions- och fjäderkrafter. Den är vanligt förekommande hos bland annat motorsågar. Den ingående axeln roterar med viss vinkelhastighet i en trumma, med viktblock och förspända fjädrar runt denna axel som håller ihop dem och förhindrar att de stöter i trumman vid lägre vinkelhastigheter. Ju snabbare denna ingående axel roterar, desto större kommer centrifugalkraften att bli, som egentligen orsakas av massornas tröghet när dessa viktblocks banor kontinuerligt ändras. I radiell riktning beräknas storleken av denna centrifugalkraft enligt definitionen: Fc = mω2 . Ju högre vinkelhastigheten ω är, desto högre Fc erhålls och med tillräckligt högt ω kommer fjädrarna som håller tillbaka massorna oundvikligen förlängas och viktblocken då slå i innerväggen av trumman och koppla in denna med den utgående axeln till följd av friktion.
Figur 11. Centrifugalkoppling.
3.5 Kraftapplicering
För att på ett så effektivt sätt som möjligt växla mellan olika motorer krävs en genererad kraft för ingrepp och de alternativ som finns för att generera denna listas nedan.
3.5.1 Linjära aktuatorer
Hydrauliska aktuatorer består oftast av en reservoar, en pump/kompressor, ett antal ventiler, samt en stång i ett tätat utrymme. Pumpen används för att skapa ett tryck bakom stången för att driva denna ut ur det tätade utrymmet och eventuellt förflytta något som denna stång är förenad med.
Ett hål i samma utrymme tillåter den inkompressibla fluiden att ledas tillbaka till reservoaren.
Pumpen kan drivas åt motsatt håll för att erhålla drag istället för tryck.
Pneumatiska aktuatorer utnyttjar komprimerad luft som används i syfte att driva en linjär eller en roterande rörelse. Denna sorts aktuatorer fungerar på samma sätt som de hydrauliska, dock är fluiden luft och reservoaren är öppen mot atmosfären.
Mekaniska aktuatorer omvandlar roterande rörelser till linjära och utför på så sätt en förflyttning.
Principen baserar sig på ett roterande kugghjul och en kuggstång där rotationen hos kugghjulet som är i ingrepp med stången således ger upphov till en linjär rörelse.
Skruvaktuatorer har en ofta elektriskt driven motor som roterar en skruvstång som i sin tur är förenad med en gängad tryckplatta som är hindrad att rotera med skruvstången vilken då forcerar den gängade tryckplattan upp eller ned beroende på vilket håll motorn roterar.
3.6 Transmissioner
3.6.1 Kedjehjulsdrift/-transmission
Kedjehjulsdrift fungerar genom att två eller fler kedjehjul samverkar med en kedja för att överföra effekt. Kedjan tillåter flexibelt axelavstånd och en jämn kraftöverföring. Genom att ändra antalet tänder på kedjehjulen kan utväxlingen modifieras. Tänderna förhindrar kedjan att slira och ett högt moment kan överföras. Ingen inre friktion bidrar till effektförluster med undantaget för länkarnas glidlagring. Givet att kedjorna drivs enligt rekommenderade förhållanden kan effektförlusterna hållas låga. Då både kedja och kedjehjul uteslutande är tillverkade i metall kan vikten hos dessa överstiga andra transmissionslösningar.
3.6.2 Kuggremsdrift/-transmission
Kuggremsdrift fungerar på samma sätt som kedjedrift och är väldigt lika. Istället för kedja används en rem med tänder. Remmen har ingen inre lagring som kedjan har utan böjningen beror istället på remmens materialegenskaper. Då remmen nästan uteslutande är gjord av gummi har denna, relativt kedjan, höga inre viskösa förluster. Detta leder till att kuggremstransmissionen har lägre verkningsgrad än kedjedriften. Likt kedjedriften tillåter kuggremsdriften ett flexibelt axelavstånd.
3.6.3 Kugghjulsdrift/-transmission
Kugghjulsdrift verkar genom att två kugghjul verkar i ingrepp med varandra. Utväxlingen bestäms genom att variera antalet tänder hos dessa. Kugghjulstransmissionen kräver noggranna avstånd mellan axlarna och dessutom är det av hög prioritet att se till att dessa är parallella.
Verkningsgraden hos en väl inställd och noggrant tillverkad kuggväxel är den högsta av de här listade transmissionslösningarna.
4 VAL AV HELHETSKONCEPT
Detta kapitel avser att beskriva de koncept som genererats genom att förklara tankegången bakom de resulterande koncepten. Konceptens kravspecifikation kommer att redovisas, visualisering av koncepten följer och för- och nackdelar med de olika koncepten framförs.
Koncepten var iterativt genererade och framställdes genom idékläckning, med frekvent feedback från handläggare och övriga ELBA-medlemmar.
För att underlätta förståelse av de konceptuella premisserna hänvisas läsaren till att före detta kapitel läsa kapitel 1.5 Problembeskrivning, som övergripande illustrerar de önskade funktionerna som drivlinan hade samt dess geometriska upplägg, se Figur 1.
4.1 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 12. Prototyp 1.
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.
Ett nytt koncept utvecklades, som illustreras i Figur 14.
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.
Figur 15. Prototyp 2 med artikelnummer.
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.
4.2 Motivering av valt koncept
För att bestämma vilket koncept som var bäst erhölls med hjälp av en Pugh-matris.
Tabell 1. Pugh-matris för de tre prototyperna.
Kriterium Prototyp 1 Prototyp 2 Prototyp 3 Referens
Vikt +1 0 -1 0
Geometri 0 +1 -1 0
Producerbarhet 0 0 0 0
Prestanda -1 +1 -1 0
Summa positiva 1 2 0 0
Summa negativa 1 0 3 0
Summa neutrala 2 2 1 0
Σ 0 2 -3
Ur matrisen erhölls en enfaldig vinnare; konceptet som skulle utvecklas var koncept 2.
5 UTVECKLING AV VALT KONCEPT
Detta kapitel avser att beskriva den strukturerade processen för produktens design. Enligt den följda Ulrich & Eppingers-konceptgenereringsmodellen motsvarar detta kapitel det skede då det valda konceptet detaljkonstrueras.
De olika linjäraktuatorerna, presenterade i kapitel 3.3.1, presenterades för mekatronikstaben och efter konsultation om ELBA beslöts att hävarmarna skulle drivas av skruvaktuatorer för att underlätta regleringen av tryckanordningen. Mekatronikgruppen tilldelades sedan uppgiften att välja en aktuator. Linjäraktuatorerna som valdes var Transmotec DLA som kunde leverera en maximal kraft på 500 N.
Axialkraften som behövde appliceras på dreven, för att flänsen skulle överföra 7 Nm, beräknades till 519 N. För beräkningarna användes ett friktionstal på 0,3 mellan bromskloss och aluminium och en kraftappliceringsradie 0,045 m (flänsdiameter 0,10 m), det vill säga det avstånd från centrum av axel till centrum av bromskloss.
Figur 18. Illustration av kraftapplicering på drevet för att överföra ett vridmoment på drivaxeln.
Nedan presenteras kraftekvationen för att erhålla vilken nödvändig axialkraft som erfordras för att överföra ett vridmoment på 7 Nm.
𝑀 = 𝑟 ∙ 𝐹𝑓
𝐹𝑓 = 𝜇 ∙ 𝑁 = {𝑁 ≡ 𝐹} ⟹
⟹ 𝑀 = 𝑟𝑎∙ 𝜇 ∙ 𝐹
Kedjehjulsdrift har en relativt hög verkningsgrad och denna fördel spelade stor roll vid valet av transmissionslösning då en så hög verkningsgrad som möjligt är väsentlig vid framtagningen av en, sett till energiförbrukningen, prestandainriktad drivlina. Hög hållfasthet låg också till grund för valet.
5.1 Utvecklad kravspecifikation
Vid detta stadium i projektet hade den slutgiltiga arkitekturen av ELBA 2015 färdigställts och illustreras nedan.
Figur 19. Illustration av arkitekturen för ELBA 2015. Det rödstreckade området markerar de delar av fordonet som ligger till grund för drivlinan och i större utsträckning grunden till denna rapport.
Figur 20. CAD-modell över drivlinan inklusive de tre motorerna implementerade i bilen.
Figur 21. Vy ovanifrån.
Utöver de funktionaliteter som beskrivs i avsnitt 1.5 och 4.2 fanns specifika geometriska krav som drivlinan måste uppfylla.
Det infördes även en fördubbling av momentöverföringskravet på drivlinan till 7 Nm.
Anledningen till att kravet på 7 Nm infördes, trots att motorerna endast skulle leverera 3,5 Nm, var på grund av att det inbromsande momentet skulle kunna överstiga 3,5 Nm. Dessutom levererade inte ICE ett kontinuerligt moment eftersom den är en encylindrig fyrtaktsmotor och tänder bara vartannat varv. Detta resulterade i att vridmomentet in i drivlinan gav upphov till transienter, men med ett nominellt moment på 3,5 Nm.
Utöver detta har producerbarheten alltid varit en aspekt i designfasen. Ingen komponent fick bli så komplicerad att den inte kunde tillverkas med hjälp av svarv-, fräs- eller vattenskärningsmetoder. Komplexiteten begränsades även på ett sådant sätt att komponenten inte skulle ta för lång tid att tillverka.
Sammanfattningsvis ska drivlinan kunna:
Driva bilen framåt med ICE utan interferens från stora elmotorn.
Driva bilen framåt med stora elmotorn utan interferens från ICE.
Ladda superkond. mha. inbromsning med elmotor utan interferens från ICE.
Ladda superkond. från ICE medan bilen körs.
Bli styrd mekatroniskt av linjäraktuatorer.
Överföra 7 Nm vridmoment.
Inte interferera med andra delsystem.
5.1.1 Motorer
Som illustreras i Figur 20 och avsnitt 5.1 hade ELBA år 2015 tre motorer. En förbrännings- och två elmotorer.
Den lilla elmotorn var en 200W permanentmagnetiserad DC motor med grafitborstar och en verkningsgrad på 94 %. Denna levererade ca 0,5 Nm vid 4000 rpm.
Den stora elmotorn var en 1,8kW permanentmagnetiserad borstlös DC motor med okänd men hög verkningsgrad. Denna levererade upp till 5,7 Nm vid 3000 rpm, men skulle begränsas till 3,5 Nm.
ICE var en 57cc encylindrig fyrtaktsmotor från Honda, ombyggd till direktinsprutning. Denna levererade ca 3,5 Nm mellan 3000-5000 rpm och skulle köras vid 3000 rpm för optimal bränsleförbrukning.
5.2 Testrigg
För att kunna undersöka om den uttänkta friktionskopplingen presterade som beräknat byggdes en testrigg. Anordningen konstruerades så att en simulering av ett ensidigt kopplingsingrepp mellan fläns och remhjul tilläts. I testriggen byttes drevet ut mot ett remhjul på grund av tillverkningsskäl.
Figur 22. Den upprättade testriggen med artikelnummer för varje komponent.
Det främsta syftet var testa om friktionen mellan bromsklossar och remhjulet i aluminium var tillräcklig för att uppfylla momentöverföringskravet. Andra syften var bland annat att observera hur konstruktionens komponenter samverkade i inkopplingsrörelsen.
Figur 23. Illustration av genomfört test.
Testet genomfördes genom att ett antal vikter hängdes på hävarmarna och avståndet från leden mättes. Med hjälp av momentjämvikt kunde kraften i kopplingen beräknas med ingenjörsmässig noggrannhet. En dynamometer fästes på remhjulet och kraften då det började slira antecknades.
Resultatet från testet visade att en belastning på ca 500 N mellan flänsen och bromsklossarna kunde överföra ca 4,5 Nm. Dessa siffror ger i sin tur ett friktionstal närmare 0,2, vilket var lägre än förväntat. Detta låga friktionstal resulterade i att linjäraktuatorerna måste applicera 780 N mot flänsen för att kunna överföra ett vridmoment på 7 Nm.
Två viktiga resultat iakttogs från testet:
● Oacceptabelt stor byrålådseffekt rådde mellan hylsan, som tillåter translationsrörelse, och axeln.
● Att momentöverföringen inte var lika effektiv som förväntat.
Byrålådseffekten bromsade drivaxeln avsevärt och konstruktionen skulle ha enorma friktionsförluster och eventuellt haverera på grund av denna. Dessa iakttagelser ledde till ytterligare korrigeringar i designen.
Figur 24. Illustration av byrålådseffekten.
5.3 Korrigering av design
För att lösa problemet med otillräcklig momentöverföring infördes koniska friktionsytor. Istället för en design där drev trycker mot en aluminiumfläns av cylindrisk form med pålimmade bromsklossar valdes istället att konstruera ett koniskt system.
En enkel illustration av den koniska kopplingen visas i Figur 25. Kopplingen bestod av en kopp och en kon. Koppen, som i detta fall skruvats fast på drevet som i sin tur var monterad på drivaxeln, med en konisk insida passar perfekt på den koniska utsidan av flänsen. Vinkeln på den koniska delen anpassades för att ge en hög normalkraft.
För att fästa den koniska flänsen axiellt och i rotationsriktning borrades två hål i flänsen, 90º emellan som även gängades enligt Figur 26. Genom att skruvarna dras åt i denna geometri pressas motsatt sida mot axeln och ytterligare en reaktionspunkt erhålls för att låsa axeln axiellt.
Figur 25. Illustration av den koniska kopplingen med tillhörande kopp och kona.
Figur 26. Infästningsanordningen för konan.
Fördelen med detta jämfört med att ha 180º mellan skruvarna är att detta skulle resultera i två fästpunkter och flänsen tillåts kunna vicka. För att föra samman de två kopparna nyttjades hävarmar som överförde en axialkraft till dreven från linjäraktuatorerna.
Fördelar med den koniska kopplingen är att denna har en förhållandevis enkel design som inte kräver en lika stor applicerad axiell kraft att koppla samman, gentemot tidigare bromsklosslösning.
Konkopplingen består av en konisk kopp- och kon del enligt Figur 25. Ur denna figur tydliggörs delarna av en konisk koppling och några intressanta geometriska egenskaper. Dessa egenskaper kommer att tas vid hjälp för beräkning av önskad vinkel av konan och den möjliga momentöverföringen som konkopplingen kan åstadkomma som funktion av axialkraften (där FT
betecknar tryck och FD betecknar drag).
Figur 27. Pålagd axialkraft på koppen som ger upphov till en normalkraft från konan.
Kraftjämvikt när kopplingen är inkopplad:
→ : 𝐹𝑇 = 𝑁𝑠𝑖𝑛𝛼 ⟹ 𝑁 = 𝐹𝑇 𝑠𝑖𝑛𝛼
Notera att eftersom det inte finns någon relativ hastighet mellan kopp och kona då de är inkopplade finns det ingen friktion mellan dessa delar.
Figur 28. Kraftsituation vid isärkoppling mellan kopp och kona.
Vi önskar nu att bestämma vinkeln α så att kraften för att hålla kopplingen i ingrepp och dra isär är lika stor.
Kraftjämvikt vid isärkoppling:
← : 𝐹𝐷 = 𝐹𝜇𝑐𝑜𝑠𝛼 − 𝑁𝑠𝑖𝑛𝛼 = {𝐹𝜇 = 𝜇 ∙ 𝑁} ⟹
⟹ 𝐹𝐷 = 𝑁 ∙ 𝜇 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝛼 − 𝑁𝑠𝑖𝑛𝛼 = {𝑁 = 𝐹𝑇
𝑠𝑖𝑛𝛼} =𝐹𝑇∙ 𝜇 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝛼
𝑠𝑖𝑛𝛼 −𝐹𝑇𝑠𝑖𝑛𝛼 𝑠𝑖𝑛𝛼 ⟺
⟺ 𝐹𝐷 =𝐹𝑇∙ 𝜇
𝑡𝑎𝑛𝛼 − 𝐹𝑇 = 𝐹𝑇( 𝜇
𝑡𝑎𝑛𝛼− 1) ⟹
⟹ 𝐹𝐷 = 𝐹𝑇 ⟹ 1 = 𝜇
𝑡𝑎𝑛𝛼− 1 ⟹
⟹ tan𝛼 =𝜇
2⟹ 𝛼 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 (𝜇
2) , 𝜇 ≈ 0.47 (𝑑𝑦𝑛𝑎𝑚𝑖𝑠𝑘𝑡 𝜇 𝑓ö𝑟 𝑎𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑢𝑚 𝑚𝑜𝑡 𝑠𝑡å𝑙) Detta motsvarar en vinkel på ca 13 grader, men avrundas upp till 15 grader eftersom att friktionstalet har en relativt stor osäkerhet och 15 grader är en bekvämare vinkel att tillverka efter.
Med vinkeln 𝛼 känd kan kopplingens momentöverföring bestämmas.
𝑁 = 𝐹𝑇 𝑠𝑖𝑛𝛼 𝐹𝐷
Betrakta ett cirkulärt konsegment med radien, r, och tjocklecken, dr, som illustrerat i Figur 25 ovan:
Längden på sluttningen blir
𝑑𝑟 𝑠𝑖𝑛𝛼.
Det streckade området utgör mantelarean på det cirkulära konsegmentet blir 2𝜋 ∙ 𝑟 ∙𝑠𝑖𝑛𝛼𝑑𝑟 .
Normalkraften på konsegmentet räknas fram enligt
𝑁 = 𝑝 ∙ 2𝜋 ∙ 𝑟 ∙𝑠𝑖𝑛𝛼𝑑𝑟 , där p är det konstanta trycket
Den axiella komposanten av normalkraften ovan är
𝑁↑ = 𝑝 ∙ 2𝜋 ∙ 𝑟 ∙𝑠𝑖𝑛𝛼𝑑𝑟 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝛼.
Den totala axiella kraften vid ingrepp blir då
𝐹𝑇 = ∫ 𝑝 ∙ 2𝜋 ∙ 𝑟 ∙ 𝑑𝑟 (∗)𝑅𝑅𝑦
𝑖 .
Friktionskraften som uppkommer på randen av konan på grund av normalkraften:
𝐹𝜇 = 𝜇 ∙ 𝑝 ∙ 2𝜋 ∙ 𝑟 ∙𝑠𝑖𝑛𝛼𝑑𝑟 . Friktionsmomentet kring axeln
𝑑𝑀 = 𝜇 ∙ 𝑝 ∙ 2𝜋 ∙ 𝑟 ∙𝑠𝑖𝑛𝛼𝑑𝑟 ∙ 𝑟 = 𝜇 ∙ 𝑝 ∙ 2𝜋 ∙ 𝑟2∙𝑠𝑖𝑛𝛼𝑑𝑟 .
För att erhålla det totala friktionsmomentet måste ovanstående ekvation integreras över hela det angripa området
𝑀 = ∫ 𝜇 ∙ 𝑝 ∙ 2𝜋 ∙ 𝑟2∙ 𝑑𝑟 𝑠𝑖𝑛𝛼
𝑅𝑦 𝑅𝑖
(∗∗)
Antag att trycket p är konstant över ytan. Ekvation (*) ger:
𝐹𝑇 = ∫ 𝑝 ∙ 2𝜋 ∙ 𝑟 ∙ 𝑑𝑟𝑅𝑦
𝑅𝑖
= 𝑝 ∙ 2𝜋 ∫ 𝑟 ∙ 𝑑𝑟𝑅𝑦
𝑅𝑖
= 𝐹𝑇 = 𝑝 ∙ 𝜋 ∙ (𝑅𝑦2− 𝑅𝑖2) (∗∗∗)
⟺
𝑝 = 𝐹𝑇
𝜋(𝑅𝑦2 − 𝑅𝑖2)
Ekvation (***) medför att (**) blir:
𝑀 = ∫ 𝜇 ∙ 𝐹𝑇
𝜋(𝑅𝑦2− 𝑅𝑖2)∙ 2𝜋 ∙ 𝑟2∙ 𝑑𝑟 𝑠𝑖𝑛𝛼
𝑅𝑦 𝑅𝑖
=
𝜇 ∙ 𝐹𝑇
𝜋(𝑅𝑦2− 𝑅𝑖2)∙ 2𝜋
𝑠𝑖𝑛𝛼 ∫ 𝑟𝑅𝑦 2∙ 𝑑𝑟 ⇒
𝑅𝑖
𝑀 = 𝜇 ∙ 𝐹𝑇
(𝑅𝑦2− 𝑅𝑖2)∙ 2
3𝑠𝑖𝑛𝛼(𝑅𝑦3− 𝑅𝑖3)
Genom att isolera Ft erhålls att det krävs en kraft på ca 50 N för att överföra ett moment på 7 Nm. Det är alltså en minskning i axialkraft med en faktor 10.
Detta innebar att överföring av det önskade momentet kunde ske med en betydligt lägre axialkraft.
Figur 29. CAD-modell av den koniska kopplingen med två koppar och en kona.
För att eliminera byrålådseffekten, beskriven i kapitel 5.2, substituerades hylsan som enbart var glidlagrad med en subkonstruktion bestående av två huvudkomponenter och ett kullager. Drevets lagring förblev densamma.
Figur 30. Lösning för att eliminera byrålådseffekten.
Hylsan (art.nr 502) tillåts röra sig längs axeln axiellt, men tillåts inte rotera kring axeln. Detta på grund av två stycken skruvar som kan röra sig i frästa axialspår (art.nr 504). Inkopplingskraften från linjäraktuatorerna appliceras nu på en yta som är kullagrad mot rotationselementet (art.nr 502) och därigenom avlägsnas det oönskade friktionsmoment som tidigare gav upphov till byrålådseffekten.
5.4 Montering
Utefter den utvecklade kravspecifikationen valdes monteringsfästenas dimensioner på sådant sätt att utgående axel passar i centrum på hjulet och att avstånden tillåter plats för planetväxel och godtycklig längd på drivaxel. Linjäraktuatorerna måste även få plats i bilen, på båda sidorna av monteringfästena.
Figur 32. Ena delen av monteringsanordningen.
Figur 33. Hävarm till att överföra kraft från linjäraktuatorerna.
