1Ʋ&70%07," &-&,530.0#*-6
%JQMPNPWÈ QSÈDF
4UVEJKOÓ QSPHSBN / o 4USPKOÓ JOäFOâSTUWÓ
4UVEJKOÓ PCPS 5 o ,POTUSVLDF TUSPKǾ B [BDzÓ[FOÓ
"VUPS QSÈDF #D +PTFG #DzPVÝFL
7FEPVDÓ QSÈDF *OH 3PCFSU 7PäFOÓMFL 1I%
-JCFSFD
Katedra vozidel a motorů Studijní rok: 2013/2014
ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE
Jméno a příjmení
Bc. Josef B Ř O U Š E K
studijní program N2301 Strojní inženýrství
obor 2302T010 Konstrukce strojů a zařízení zaměření Kolové dopravní a manipulační stroje
Ve smyslu zákona č. 111/1998 Sb. o vysokých školách se Vám určuje diplomová práce na téma:
PŘEVODOVKA ELEKTROMOBILU
Zásady pro vypracování:
(uveďte hlavní cíle diplomové práce a doporučené metody pro vypracování)
1. Proveďte rozbor používaných převodovek u vozidel s elektrickým pohonem.
2. Proveďte výpočet hnacích charakteristik pro zvolený pohon.
3. Navrhněte uspořádání převodovky pro elektromobil s ohledem na budoucí výrobu tohoto prototypu.
4. Vybrané díly pevnostně analyzujte a sledujte kritérium hmotnosti převodovky.
5. Vytvořte výrobní dokumentaci převodovky.
Forma zpracování diplomové práce:
Průvodní zpráva: cca 50 stran textu vč. příloh dílčích výsledků.
Rozsah grafických prací: kompletní výkresová dokumentace nutná pro výrobu převodovky.
Text celé diplomové práce včetně příloh a výkresů bude v elektronické formě přiložen na CD nosiči ke svazku diplomové práce.
Seznam literatury (uveďte doporučenou odbornou literaturu):
[1] PEŠÍK, L.: Části strojů. 2. díl. Liberec, TU 2005. ISBN 80-7083-939-2.
[2] PEŠÍK, L.: Části strojů. 1. díl. Liberec, TU 2005. ISBN 80-7083-938-4.
[3] VLK, F.: Převody motorových vozidel. Nakladatelství a vydavatelství Vlk. BRNO 2006.
[4] TŮMOVÁ, G.: Mechanická převodná ústrojí. Studijní pomůcka. Liberec 1999.
Vedoucí diplomové práce: Ing. Robert Voženílek, Ph.D. - TU v Liberci, KVM Konzultant diplomové práce: Ing. Věroslav Cvrček - TU v Liberci, KVM
L.S.
Ing. Robert Voženílek, Ph.D. doc. Ing. Miroslav Malý, CSc.
vedoucí katedry děkan
V Liberci 1. 11. 2013
__________________________________________________________________________
Platnost zadání diplomové práce je 15 měsíců od výše uvedeného data (v uvedené lhůtě je třeba podat přihlášku ke SZZ). Termíny odevzdání diplomové práce jsou určeny pro každý studijní rok a jsou uvedeny v harmonogramu výuky.
1SPIMÈÝFOÓ
#ZM KTFN TF[OÈNFO T UÓN äF OB NPV EJQMPNPWPV QSÈDJ TF QMOǔ W[UB
IVKF [ÈLPO Ǐ 4C P QSÈWV BVUPSTLÏN [FKNÏOB f o ÝLPMOÓ EÓMP
#FSV OB WǔEPNÓ äF 5FDIOJDLÈ VOJWFS[JUB W -JCFSDJ 56- OF[BTBIVKF EP NâDI BVUPSTLâDI QSÈW VäJUÓN NÏ EJQMPNPWÏ QSÈDF QSP WOJUDzOÓ QPUDzFCV 56-
6äJKJMJ EJQMPNPWPV QSÈDJ OFCP QPTLZUOVMJ MJDFODJ L KFKÓNV WZVäJUÓ KTFN TJ WǔEPN QPWJOOPTUJ JOGPSNPWBU P UÏUP TLVUFǏOPTUJ 56- W UPN
UP QDzÓQBEǔ NÈ 56- QSÈWP PEF NOF QPäBEPWBU ÞISBEV OÈLMBEǾ LUFSÏ WZOBMPäJMB OB WZUWPDzFOÓ EÓMB Bä EP KFKJDI TLVUFǏOÏ WâÝF
%JQMPNPWPV QSÈDJ KTFN WZQSBDPWBM TBNPTUBUOǔ T QPVäJUÓN VWFEFOÏ MJUFSBUVSZ B OB [ÈLMBEǔ LPO[VMUBDÓ T WFEPVDÓN NÏ EJQMPNPWÏ QSÈDF B LPO[VMUBOUFN
4PVǏBTOǔ ǏFTUOǔ QSPIMBÝVKJ äF UJÝUǔOÈ WFS[F QSÈDF TF TIPEVKF T FMFL
USPOJDLPV WFS[Ó WMPäFOPV EP *4 45"(
%BUVN
1PEQJT
PŘEVODOVKA ELEKTROMOBILU
Anotace
Diplomová práce se zabývá problematikou převodovek u vozidel s elektrickým pohonem. V první části je proveden rozbor používaných převodovek u vozidel s elektrickým pohonem, ve kterém jsou popsány typy převodovek v elektromobilech nabízených na současném automobilovém trhu. Popsány jsou také převodovky dostupné od výrobců automobilových převodovek určených pro vozidla s elektrickým pohonem. Druhá část práce je věnována návrhu prototypu převodovky, který je určen pro pohonné ústrojí vozidla kategorie nižší střední třídy. Součástí návrhu je výpočet hnacích charakteristik pro zvolené pohonné ústrojí, pevnostní analýza navržené skříně převodovky metodou konečných prvků a kompletní výrobní dokumentace převodovky.
Klíčová slova: elektromobil, převodovka, pohonné ústrojí
ELECTRIC VEHICLE TRANSMISSON
Annotation
This diploma thesis deals with electric vehicle transmissions. The first part of the thesis describes different types of transmissions used for electric vehicles which are currently available on the automotive market. In addition, there is also a description of transmissions produced by manufacturers of automotive transmissions. The second part of the thesis presents a design of a prototype of an electric vehicle transmission for a car in the C-segment of the car size classification used in Europe. The design includes tractive effort curves calculation for selected powertrain, finite element method stress analysis of transmission housing and complete production documentation.
Keywords: electric vehicle, EV, transmission, gearbox, powertrain
KVM - DP - 664
Desetinné třídění: 62-585.12 – Změna rychlosti nebo chodu ozubenými převody, převodovkami
Zpracovatel: TU v Liberci, Fakulta strojní, Katedra vozidel a motorů
Dokončeno: 2014
Archivní označení zprávy:
Poděkování
Rád bych poděkoval vedoucímu diplomové práce Ing. Robertu Voženílkovi, Ph.D. za velice vstřícný přístup a rady při konzultacích.
Dále děkuji rodičům za podporu během celého studia.
Obsah
PROHLÁŠENÍ... 3
ANOTACE... 4
PODĚKOVÁNÍ ... 5
OBSAH ... 6
SEZNAM SYMBOLŮ A JEDNOTEK ... 8
ÚVOD ... 10
1 PŘEVODOVKY VOZIDEL S ELEKTRICKÝM POHONEM ... 12
1.1 TYPY USPOŘÁDÁNÍ HNACÍHO ÚSTROJÍ... 13
1.2 PŘEVODOVKY SOUČASNÝCH ELEKTROMOBILŮ... 14
1.3 PŘEVODOVKY NABÍZENÉ PRO AUTOMOBILY S ELEKTRICKÝM POHONEM. 16 1.3.1 BorgWarner ... 16
1.3.2 Oerlikon Graziano... 17
1.3.3 ZF Friedrichshafen AG ... 18
1.3.4 Getrag ... 19
2 NÁVRH PŘEVODOVKY... 20
2.1 INFORMACE O POUŽITÉM ELEKTROMOTORU... 20
2.2 USPOŘÁDÁNÍ POHONNÉHO ÚSTROJÍ... 22
2.3 USPOŘÁDÁNÍ PŘEVODOVKY... 23
2.4 HNACÍ CHARAKTERISTIKA VOZIDLA NIŽŠÍ STŘEDNÍ TŘÍDY... 24
2.5 EŠUS... 26
2.6 HNACÍ CHARAKTERISTIKA VOZIDLA EŠUS... 26
3 KONSTRUKCE PŘEVODOVKY ... 29
3.1 POUŽITÉ KOMPONENTY Z PŘEVODOVKY ŠKODA MQ200 02T ... 29
3.2 KONSTRUKCE HŘÍDELE Č.1... 30
3.2.1 Výpočet nalisování ozubeného kola 11 ... 30
3.2.2 Návrh spojení perem pro levou spojku ... 32
3.2.3 Návrh spojení perem pro pravou spojku ... 33
3.3 PŘIPOJENÍ ELEKTROMOTORŮ K PŘEVODOVCE... 34
3.3.1 Návrh spojení drážkovým klínem pro spoj spojka-motor ... 34
3.4 KONSTRUKCE SKŘÍNĚ PŘEVODOVKY... 35
3.5 MECHANISMUS PARKOVACÍ ZÁPADKY... 38
4 ANALÝZA SKŘÍNĚ PŘEVODOVKY METODOU KONEČNÝCH PRVKŮ 39
4.1 VÝPOČET REAKCÍ V ULOŽENÍ LOŽISEK... 39
4.1.1 Výpočet zatěžujících sil na ozubených kolech... 39
4.1.2 Výpočet reakcí pro jízdu vpřed... 40
4.1.3 Výpočet reakcí pro jízdu vzad ... 43
4.2 ANALÝZA JÍZDY VPŘED... 45
4.2.1 Zavedení okrajových podmínek... 45
4.2.2 Zavedení zatěžujících sil a momentů ... 46
4.2.3 Síť konečných prvků a zadaný materiál... 47
4.2.4 Analýza výsledků pro jízdu vpřed ... 48
4.3 ANALÝZA JÍZDY VZAD... 50
4.3.1 Zavedení zatěžujících sil a momentů ... 50
4.3.2 Analýza výsledků pro jízdu vzad ... 51
ZÁVĚR ... 54
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY... 55
SEZNAM PŘÍLOH... 59
SEZNAM VÝKRESŮ ... 60
Seznam symbolů a jednotek
CAN CAN bus, Controller Area Network DMDS Dual Motor Drive System
KPII Konstrukční projekt II
PMSM Permanent Magnet Synchronous Motors
n otáčky [min-1]
P výkon [kW]
Mk točivý moment [Nm]
m hmotnost [kg]
cx součinitel odporu vzduchu [-]
μm mechanická účinnost [-]
f součinitel odporu valení [-]
ρ hustota [kg/m3]
g gravitační zrychlení [m/s2]
v rychlost [m/s]
Fk hnací síla na kole vozidla [N]
Of jízdní odpor valení [N]
Ov aerodynamický jízdní odpor [N]
σDt dovolené napětí v tahu [MPa]
σr radiální napětí [MPa]
σt tečné napětí [MPa]
p tlak [MPa]
pd dovolený tlak [MPa]
τS dovolené napětí ve smyku [MPa]
Δd pružná deformace [mm]
lp délka pera [mm]
z počet zubů [-]
β úhel sklonu zubu [°]
αn úhel záběru [°]
Ft obvodová síla [N]
Fa axiální síla [N]
Fr radiální síla [N]
R reakce [N]
G tíha [N]
Mu ohybový moment [Nm]
h hodina
kg kilogram
kW kilowatt
min-1 otáčky za minutu
mm milimetr
MPa megapascal
N newton
Nm newtonmetr
s sekunda
Úvod
Vývoj automobilových převodovek je závislý na vývoji používaných motorů v automobilech. Problematika převodovek u vozů se spalovacími motory je v současné době řešena a popsána na velmi vysoké úrovni a různá konstrukční řešení jsou již uživateli ověřovány přímo v provozu po dobu mnoha let. Pro uživatele je v nabídce rozsáhlá paleta nabízených typů převodovek.
Oproti vozům se spalovacími motory se automobily používající pro pohon elektrickou energii dostávají do sériových výrob velkých automobilek až v posledních několika málo letech. Počty prodaných elektromobilů v některých státech narůstají a elektromobily se začínají dostávat mezi více běžných uživatelů.
Díky tomuto trendu se otevírá další prostor pro vývoj převodovek určených přímo pro vozidla s elektrickým pohonem.
Prvním cílem diplomové práce je provést na základě dostupných informací rešerši používaných převodovek u vozidel s elektrickým pohonem se zaměřením na převodovky používané v elektromobilech nabízených na současném automobilovém trhu. Vyhledávány budou především informace o používaných konstrukcích a o hodnotách převodových poměrů v těchto převodovkách. Prověřena a popsána bude také nabídka převodovek pro vozidla s elektrickým pohonem od výrobců automobilových převodovek.
Druhým cílem práce je vytvoření návrhu prototypu převodovky pro pohonné ústrojí vozidla kategorie nižší střední třídy s ohledem na skutečnou budoucí výrobu tohoto prototypu. Výsledkem této části práce bude výrobní dokumentace převodovky.
Pro vytvoření rešerše převodovek vozidel s elektrickým pohonem budou vyhledávány informace na internetových stránkách výrobců elektromobilů a výrobců převodovek nabízejících převodovky pro vozidla s elektrickým pohonem, na stránkách zaměřujících se na elektromobily a na stránkách, které se zabývají novinkami v automobilovém průmyslu.
Rozbor používaných převodovek poskytne důležité informace pro následnou tvorbu uspořádání prototypu převodovky, pomůže při vytváření konstrukce prototypu
a případně poukáže na nová konstrukční řešení, která mohou přinést jisté užitečné vlastnosti a bylo by vhodné je prověřit.
Pro snížení celkových výrobních nákladů budou během návrhu prototypu posouzeny a vybrány dostupné komponenty z automobilových převodovek používaných ve vozech se spalovacím motorem, které by vyhovovaly požadavkům na pohonné ústrojí elektromobilu. Součásti navrhované do výroby budou použity v případech, kdy nebude nalezeno řešení s využitím dostupných dílů, nebo v případech, kdy nově vyrobený díl přinese dostatečně vysokou přidanou hodnotu. Navrhovaná skříň převodovky bude podrobena analýze metodou konečných prvků, která ověří bezpečnost a tuhost konstrukce skříně. Případně pomůže ještě před výrobou odhalit nedostatky, které je nutné vyřešit.
1 Převodovky vozidel s elektrickým pohonem
Volba typu převodovky s použitým motorem
Elektromotory používané pro pohon vozidel ma točivého momentu v závislosti na otáčkách motoru.
příklad průběhu točivého momentu a výkonu motoru.
Graf 1 Průběh točivého momentu a výkonu elektromotoru v závislosti na otáčkách
Průběh točivého momentu začíná od nulových otáček na maximální hodnotě, v nízkých otáčkách je konstantní
klesá. Tento průběh točivého momentu v závislosti na otáčkách se velice blíží k tzv. ideální hnací charakteristice vozidla
pro pohon vozidla v mnoha případech Většina dnes používaných ele ve vysokovýkonném
V praxi se tedy vysokovýkonný režim využívá při potřebě vysokého točivého momentu při rozjezdu a při potřebě rychlé akcelerace a ve
využívá konstantního průběhu výkonu.
Převodovky vozidel s elektrickým pohonem
Volba typu převodovky v pohonném ústrojí vozidla úzce souvisí především pro pohon vozidla.
Elektromotory používané pro pohon vozidel mají velice příznivý průběh točivého momentu v závislosti na otáčkách motoru. Na Graf 1 je vyobrazen typický příklad průběhu točivého momentu a výkonu elektromotoru v závislosti na otáčkách
ůběh točivého momentu a výkonu elektromotoru v závislosti na otáčkách
Průběh točivého momentu začíná od nulových otáček na maximální hodnotě, nízkých otáčkách je konstantní a poté se vzrůstajícími otáčkami hyperbolicky Tento průběh točivého momentu v závislosti na otáčkách se velice blíží ideální hnací charakteristice vozidla Tento příznivý průběh umožňuje
v mnoha případech použití pouze jednostupňové převodovky.
Většina dnes používaných elektromotorů je schopna pracovat ve dvou režimech ve vysokovýkonném režimu a v nižším režimu s konstantním průběhem výkonu.
praxi se tedy vysokovýkonný režim využívá při potřebě vysokého točivého momentu při rozjezdu a při potřebě rychlé akcelerace a ve vyšších rychlostech se využívá konstantního průběhu výkonu. [2]
Převodovky vozidel s elektrickým pohonem
vozidla úzce souvisí především
jí velice příznivý průběh je vyobrazen typický v závislosti na otáčkách
ůběh točivého momentu a výkonu elektromotoru v závislosti na otáčkách [1]
Průběh točivého momentu začíná od nulových otáček na maximální hodnotě, a poté se vzrůstajícími otáčkami hyperbolicky Tento průběh točivého momentu v závislosti na otáčkách se velice blíží říznivý průběh umožňuje použití pouze jednostupňové převodovky.
ktromotorů je schopna pracovat ve dvou režimech - a v nižším režimu s konstantním průběhem výkonu.
praxi se tedy vysokovýkonný režim využívá při potřebě vysokého točivého vyšších rychlostech se
1.1 Typy uspořádání hnacího ústrojí
V současné době se u vozidel s elektrickým pohonem používá více typů uspořádání hnacího ústrojí. Volbu uspořádání ovlivňují parametry použitého elektromotoru a požadavky na provoz vozu. Příklady jednotlivých uspořádání hnacího ústrojí jsou vyobrazeny na následujícím obrázku.
Obr. 1 Druhy uspořádání hnacího ústrojí elektromobilů [1]
Uspořádání a) je využíváno většinou u vozidel přestavěných z pohonu spalovacím motorem na pohon elektromotorem, kdy dochází pouze k záměně motorů a ostatní komponenty zůstávají zachovány. Skládá se z elektromotoru, spojky, převodovky a diferenciálu.
Uspořádání b) se používá u pohonů s elektromotorem, který produkuje dostatek točivého momentu v širokém rozsahu otáček. Potom je možné nahradit vícestupňovou převodovku pouze jedním převodovým stupněm a odpadá tak i požadavek na použití spojky. Toto řešení snižuje výslednou hmotnost a velikost pohonu a také zjednodušuje ovládání vozu, ve kterém není nutno při jízdě měnit převodové stupně.
Uspořádání c) je funkčně podobné předchozímu, ale motor, převodovka s jedním převodovým stupněm a diferenciál jsou zastavěny do jedné skříně a tvoří tak jeden celek. Výhodou je kompaktnost celého ústrojí a menší požadavky na zástavbový prostor.
V uspořádání d) jsou pro pohon použity dva elektromotory. Každý motor pohání jedno kolo na jedné straně vozu. V tomto řešení se pro vyrovnávání otáček kol v zatáčce nepoužívá mechanický diferenciál, ale otáčky každého motoru jsou řízeny elektronicky. Mezi motory a koly jsou použity jednostupňové převodovky.
Uspořádání e) je podobné předchozímu, ale motory jsou umístěny přímo v kolech. Pro redukci otáček a násobení momentu jsou využívány malé planetové převodovky.
V uspořádání f) mohou být motory buď zastavěny přímo do kol bez použití mechanických převodů nebo mohou být umístěny v motorovém prostoru a kola pohánět přes příčné hnací hřídele. Toto řešení vyžaduje použití elektromotorů s dostatečným točivým momentem.[1]
Uvedená uspořádání lze použít pro pohon přední nebo zadní nápravy automobilu. Některá uspořádání se používají i pro pohon všech čtyř kol. U vozidel poháněných hybridním pohonem je v některých případech použito některé z uvedených uspořádání pro pohon jedné nápravy automobilu a druhá náprava je poháněna spalovacím motorem.
Každé uspořádání má různé výhody i nevýhody a jeho volba je tedy určitým kompromisem. V současné době výrobci vozidel s elektrickým pohonem používají různá uspořádání a zatím nelze jednoznačně určit, které uspořádání je pro pohon automobilu obecně nejvhodnější. Velký vliv má neustálý vývoj elektromotorů, akumulátorů a elektronických regulátorů.
1.2 Převodovky současných elektromobilů
Jak již bylo zmíněno v předchozí kapitole, většina dnešních výrobců vozidel s elektrickým pohonem používá ve většině případů jednostupňové převodovky se stálým převodem, který je tvořen dvěma ozubenými soukolími, přičemž druhý převod tvoří soukolí rozvodovky s mechanickým diferenciálem. V následující tabulce je zpracován přehled dostupných parametrů vozidel s elektrickým pohonem.
Parametry motoru Další parametry Max. točivý
moment
Max.
výkon
Max.
otáčky
Pohotovostní hmotnost vozidla
Převodový poměr převodovky
[Nm] [kW] [min-1] [kg] [-]
Bmw i3 250 125 11 400 1195 -
Nissan Leaf 254 80 10 500 1525 7,94:1
Renault Twizy 57 13 10 000 474 9,23
Renault Zoe 220 65 11 300 1468 9,32
Smart Fortwo
Electric Drive 130 55 - 890 9,922
Tesla Roadster 370 225 14 000 1235 8,28:1
Tesla Model S 600 310 14 000 2108 9,73:1
Tab. 1 Přehled parametrů vozidel s elektrickým pohonem a jednostupňovou převodovkou
Uvedené vozy dosahují podobných jízdních parametrů v reálném provozu na pozemních komunikacích jako běžné vozy se spalovacími motory. Jistým omezením je menší dojezd na jedno nabití oproti dojezdu vozu se spalovacím motorem na jednu nádrž a následné nutné nabití akumulátorů trvá delší dobu než natankování jedné nádrže paliva pro spalovací motory. S neustálým vývojem nových akumulátorů se ale dojezd elektrovozidel neustále zvyšuje a u uvedených vozů v přehledu již nyní většinou plně postačuje pro denní příměstský provoz a například u vozu Tesla Model S lze podle uváděných zkušeností z jízdy dosáhnout dojezdu až 400 km na jedno nabití a absolvovat tak i delší cesty. [3]
Obr. 2 BMW i3 (vlevo)[4] , Převodovka BMW i3 (vpravo)[5]
Na Obr. 3 je vidět prototyp jednostupňové převodovky určený pro automobil Tesla Roadster. Touto převodovkou byla nahrazena dříve zamýšlená dvoustupňová převodovka. Zjednodušení převodovky přineslo úsporu hmotnosti 8 kg (z 53 kg na 45 kg). Převodovka je dimenzovaná na vstupní točivý moment 400 Nm a na
nejvyšší vstupní otáčky 14 000 min-1. Celkový převodový poměr je 8,28:1. Skříň převodovky byla vyrobena třískovým obráběním z hliníkové slitiny.[6] Převodovku v konečné podobně pro sériovou výrobu dodává společnost BorgWarner.
Obr. 3 Tesla Roadster (vlevo nahoře)[7] , Prototyp převodovky Tesla Roadster (ostatní)[8]
1.3 Převodovky nabízené pro automobily s elektrickým pohonem
Výrobci automobilových převodovek se vzrůstající nabídkou elektromobilů na automobilovém trhu začínají nabízet speciálně vyvinuté převodovky pro vozidla s elektrickým pohonem. Na trhu se objevují převodovky jednostupňové a vícestupňové používající různá konstrukční řešení.
1.3.1 BorgWarner
BorgWarner se zabývá vývojem pokročilých komponentů pro efektivní pohony hybridních a čistě elektrických vozidel. U převodovek je kladen vysoký důraz na účinnost, schopnost zvládat vysoké vstupní otáčky, na nízký hluk a malé vibrace, nízkou hmotnost a kompaktní rozměry.
Pro pohony osobních automobilů nabízí modelovou řadu jednostupňových převodovek 31-03, která je určená pro pohony uložené napříč. Převodový poměr může být od 6,5 do 9ti. Převodovka zvládá maximální vstupní otáčky až 14 000 min-1 a konstantní vstupní moment do 200 Nm (krátkodobě až 300 Nm).
Dosahovaná účinnost je v běžném provozu 96% a v určitých oblastech otáček
a zatížení i přes 97%. Konstrukce převodovky umožňuje dostatečné mazání bez použití olejového čerpadla. Převodovka může být vybavena systémem elektronické nebo mechanické parkovací západky. Je použita například ve vozidlech Coda Sedan, Ford Transit Connect a Tesla Roadster od roku 2008.
Obr. 4 BorgWarner eGearDrive 31-03 [9]
Pro lehká pracovní vozidla s podélným pohonem je určena převodovka řady 32- 01. Převodový poměr je možné zvolit v rozmezí 2-3. Maximální vstupní otáčky mohou být až 10 000 min-1a maximální konstantní moment 200 Nm (krátkodobě až 300Nm). Opět je možná zástavba mechanické nebo elektronické parkovací západky.
Pro těžší pracovní vozidla s podélným pohonem vyvíjí BorgWarner třístupňovou dvouspojkovou převodovku s označením 34-01. Maximální dovolené vstupní otáčky jsou u této převodovky 10 000 min-1. Maximální konstantní vstupní moment může být až 400 Nm (krátodobě až 650 Nm). První stupeň má převodový poměr 3,125, druhý stupeň 1,726 a třetí stupeň 1,0. Použití této převodovky umožňuje zvýšení dosahované trakční síly na kolech a zachování potřebné maximální rychlosti vozidla.
Motor může pracovat častěji v nejefektivnějších otáčkách. Přeřazení probíhá bez přerušení toku výkonu a pro udržení zařazeného prvního a třetího rychlostního stupně není potřeba žádná síla. Parkovací západka je řešena elektronicky a umožňuje snadnou integraci do komunikační sítě vozidla se sběrnicí CAN.[10]
1.3.2 Oerlikon Graziano
Oerlikon Graziano má dlouholeté zkušenosti s výrobou hnacích ústrojí pro vozidla s elektrickým pohonem v oblastech malých lehkých užitkových vozidel a vozidel určených pro pohyb na golfových hřištích. Získané zkušenosti dnes využívají při vývoji převodovek pro elektromobily určené pro městský provoz. [11]
Kromě podobné nabídky jednostupňových převodovek pro různá uspořádání pohonného ústrojí, jako nabízí předchozí uvedený výrobce BorgWarner, má Oerlikon Graziano v nabídce i další možná řešení. Například čtyřstupňovou převodovku
určenou pro elektromobily umožňující uspokojit náročnější požadavky na dynamiku jízdy. Převodovka je konstruována pro pohon se dvěma elektromotory. Maximální celkový vstupní točivý moment může být až 480 Nm a maximální vstupní otáčky jsou 10 000 min-1. [12]
Obr. 5 Čtyřstupňová převodovka Oerlikon Graziano(vlevo a uprostřed) [12], Planetová převodovka Oerlikon Graziano (vpravo) [12]
V nabídce tohoto výrobce jsou také převodovky s planetovými soukolími určenými pro zástavbu do kompaktních celků elektromotoru a převodovky. [12]
1.3.3 ZF Friedrichshafen AG
Známý výrobce automobilových převodovek, společnost ZF, nabízí pro elektromobily celé pohonné moduly včetně elektromotorů a potřebné elektroniky. V její nabídce jsou řešení pro osobní vozidla i pro těžší užitková vozidla a autobusy.[13]
Obr. 6 Elektrický pohon ZF pro užitková vozidla [14]
Kromě pohonů pro vozidla používající pouze elektrický pohon, nabízí ZF i převodovky pro vozidla s hybridním pohonem, ve kterých je elektrický motor zabudován přímo do převodovky, která je určena pro spalovací motory. [13]
Obr. 7 Osmistupňová převodovka ZF pro osobní vozidla s hybridním pohonem [15]
1.3.4 Getrag
Společnost Getrag představila v tiskové zprávě [16] koncept dvoustupňové dvouspojkové převodovky pro vozidla s elektrickým pohonem. Převodovka je určena pro elektromotory s maximálním točivým momentem 500 Nm a maximálními otáčkami 13 000 min-1. Převodový poměr prvního stupně může být v rozmezí 10 - 15 a převodový poměr druhého stupně 5 - 8. Výrobce mezi výhodami použitého konstrukčního řešení převodovky uvádí především možnost změny převodových stupňů bez přerušení toku výkonu a zvýšení dojezdu elektromobilu až o 10 %.
Obr. 8 Dvoustupňová převodovka Getrag pro vozidla s elektrickým pohonem [17]
Kromě uvedeného konceptu nabízí Getrag také celé pohonné jednotky podobně jako společnost ZF. Pohonná jednotka s označením 1eDT240 byla použita například ve vozidle Volvo C30 Electric. [18]
2 Návrh převodovky
Cílem práce bylo navrhnout prototyp převodovky určený pro vozidla kategorie nižší střední třídy. Do této kategorie patří
Cee'd, Ford Focus, Honda Civic, Opel Astra, Renault Mégane, Škoda Octavia, Volkswagen Golf apod
budoucí výrobu tohoto prototypu které se budou muse
pro jejich budoucí výrob V budoucnu bude možné
ve zkušebně hnacích ústrojí powertrain v laboratoři pohonných jednotek.
využití pohonného úst s elektrickým pohonem.
U vozidel produkovaných v dnešní době energetickou náročnost při provozu, která a méně zatěžuje život
obvykle ještě větší než u vozidel
ze základních způsobů jak snížit energetickou náročnost pohonu automobilu je dosažení nízké hmotnosti
Během návrhu byla proto sledována i výsledná hmotnost
2.1 Informace o použitém elektromotoru
Pro pohonné ústrojí elektromobilu byla informatiky a mezioborových
elektromotorů Motenergy ME1302.
Obr. 9 Elektromotor Motenergy ME1302 (ilustrační obrázek)
Návrh převodovky
Cílem práce bylo navrhnout prototyp převodovky určený pro
kategorie nižší střední třídy. Do této kategorie patří automobily
Cee'd, Ford Focus, Honda Civic, Opel Astra, Renault Mégane, Škoda Octavia, apod. Návrh bylo potřeba vytvářet s ohledem na skutečnou budoucí výrobu tohoto prototypu a dostupnost použitých komponentů. U součástí
se budou muset vyrobit, musel být brán ohled na dostupné technologie jejich budoucí výrobu.
V budoucnu bude možné na vytvořeném pohonném ústrojí
zkušebně hnacích ústrojí powertrain v laboratoři pohonných jednotek.
využití pohonného ústrojí bude možnost testování akumulátorů pro automobily elektrickým pohonem.
U vozidel produkovaných v dnešní době je kladen velký důraz na jejich
energetickou náročnost při provozu, která dovoluje snížit provozní náklady vozu životní prostředí. U vozidel na alternativní paliva je tento důraz obvykle ještě větší než u vozidel spalujících benzin nebo motorovou naftu.
základních způsobů jak snížit energetickou náročnost pohonu automobilu je dosažení nízké hmotnosti konstrukce celého vozu - tedy veškerých
Během návrhu byla proto sledována i výsledná hmotnost navrhovaných
Informace o použitém elektromotoru
Pro pohonné ústrojí elektromobilu byla kolegy z Fakulty mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Technické univerzity v Liberci
Motenergy ME1302.
Elektromotor Motenergy ME1302 (ilustrační obrázek)
Cílem práce bylo navrhnout prototyp převodovky určený pro pohonné ústrojí automobily jako Kia Cee'd, Ford Focus, Honda Civic, Opel Astra, Renault Mégane, Škoda Octavia, Návrh bylo potřeba vytvářet s ohledem na skutečnou dostupnost použitých komponentů. U součástí, ohled na dostupné technologie
ověřovat vlastnosti zkušebně hnacích ústrojí powertrain v laboratoři pohonných jednotek. Další testování akumulátorů pro automobily
je kladen velký důraz na jejich nízkou provozní náklady vozu U vozidel na alternativní paliva je tento důraz motorovou naftu. Jedním základních způsobů jak snížit energetickou náročnost pohonu automobilu je
veškerých jeho součástí.
navrhovaných součástí.
akulty mechatroniky, echnické univerzity v Liberci zvolena dvojice
Elektromotor Motenergy ME1302 (ilustrační obrázek) [19]
Jedná se o kapalinou chlazený,
synchronní motor s permanentními magnety (PMSM) v provedení s axiálním magnetickým tokem.
dosahuje špičkové účinnosti 9 35 kW při 5500 min
6500 min-1.
Velikost průměru těla
167,4 mm bez uvažované délky výstupní hřídele.
Jako elektronický
velikosti 4. Elektronické regulátory od firmy Sevcon používá například automobilka Renault v elektromobilu Twizy.
V době vypracování charakteristika navrhovaných vycházet z předběžné
Graf 2 Předběžná momentová charakteristika Motenergy ME1
Elektromotor bude pracovat ve tř
a režim Peak bude možné využívat pouze omezenou dobu
dodávat motoru dostatečné napětí. Režim Boost by podle předpokládaných informací měl být použitelný po d
omezení je způsobeno nadměrným zahříváním regulátoru a motoru v těchto režimech.
kapalinou chlazený, vysoce efektivní, čtyřp
synchronní motor s permanentními magnety (PMSM) v provedení s axiálním . Motor byl konstruován na dlouhou životnost
účinnosti 92% a produkuje trvalý výkon 15 kW a špičkový výkon 5500 min-1 po dobu 120 s. Maximální dosahované otáčky motoru jsou
Velikost průměru těla motoru v největším místě je 223 mm.
167,4 mm bez uvažované délky výstupní hřídele. Hmotnost je 15,88 kg.
elektronický regulátor otáček motoru bude použit regulátor Sevcon Gen4 4. Elektronické regulátory od firmy Sevcon používá například automobilka Renault v elektromobilu Twizy.
V době vypracování diplomové práce nebyla naměřena skutečná navrhovaných motorů. V návrhu převodovky
vycházet z předběžné momentové charakteristiky zobrazené na Graf
Předběžná momentová charakteristika Motenergy ME1
Elektromotor bude pracovat ve třech režimech uvedených v Graf
bude možné využívat pouze omezenou dobu, po kterou regulátor vydrží dostatečné napětí. Režim Boost by podle předpokládaných informací měl být použitelný po dobu deseti sekund a režim Peak po dobu dvou minut
omezení je způsobeno nadměrným zahříváním regulátoru a motoru v těchto čtyřpólový, třífázový, synchronní motor s permanentními magnety (PMSM) v provedení s axiálním dlouhou životnost. Podle výrobce trvalý výkon 15 kW a špičkový výkon otáčky motoru jsou
je 223 mm. Délka motoru je Hmotnost je 15,88 kg.
motoru bude použit regulátor Sevcon Gen4 4. Elektronické regulátory od firmy Sevcon používá například automobilka
práce nebyla naměřena skutečná momentová bylo proto nutné Graf 2.
Předběžná momentová charakteristika Motenergy ME1302
Graf 2. Režim Boost , po kterou regulátor vydrží dostatečné napětí. Režim Boost by podle předpokládaných informací po dobu dvou minut. Časové omezení je způsobeno nadměrným zahříváním regulátoru a motoru v těchto
2.2 Uspořádání
Důvodem zvolení dvou elektromotorů
bylo vybrané uspořádání pohonného ústrojí nazývané Dual Motor Drive System (DMDS). Příklad uspořádání DMDS je zobrazen na
oproti pohonu pouze s jedním elektromotorem vychází z patentu společnosti Tesla Motors Inc.
obsahuje volný překlad a poznámky k vybraným bodům.
Obr. 10 Základní konfigurace uspořádání Dual Motor Drive S
Uspořádání DMDS může být navrženo tak, aby poskytovalo výborné parametry jednak s ohledem na optimální křivky výkonu, tak i s ohledem na celkovou efektivitu systému v celém rozsahu provozních otáček a zatížení.
elektromotory je také při dynamické jízdě.
DMDS umožňuje optimalizovat pohonné ústrojí pro rozdílné provozní podmínky. Například
rychlostí s celkovou vysokou účinností a druhý motor připojovat pouze v případě vysokého zatížení nebo při jízdě vysokou rychlostí. Toto řešení umožňuje zvýšit především celkovou účinnost pohonné jednotky a dojezd vozidla.
jednoho velkého motoru, který by měl uspokojit vysoké požadavky na dynamiku jízdy, bude tento motor při nízkém zatížení pracovat v pásmu mnohem nižší účinnosti než menší motor, který je dimenzován právě pro toto zatížení při maximální účinnosti.
Použitím dvou m
zlepšení rozložení hmotnosti vozidla, účinnosti chlazení jednotlivých součástí a dosažení menší hmotnosti, velikosti a ceny součástí
životnosti jednotlivých součást
Uspořádání pohonného ústrojí
Důvodem zvolení dvou elektromotorů oproti jednomu většímu
ořádání pohonného ústrojí nazývané Dual Motor Drive System Příklad uspořádání DMDS je zobrazen na Obr. 10. Systém poskytuje oproti pohonu pouze s jedním elektromotorem několik výhodných
společnosti Tesla Motors Inc. [20] Další text v této kapitole obsahuje volný překlad a poznámky k vybraným bodům. [21]
Základní konfigurace uspořádání Dual Motor Drive System
Uspořádání DMDS může být navrženo tak, aby poskytovalo výborné parametry jednak s ohledem na optimální křivky výkonu, tak i s ohledem na celkovou efektivitu systému v celém rozsahu provozních otáček a zatížení. Rozdělením zátěže mezi dva
také snazší udržet motory na požadované provozní teplot
DMDS umožňuje optimalizovat pohonné ústrojí pro rozdílné provozní podmínky. Například použít pouze jeden motor pro jízdu s nízkou k
rychlostí s celkovou vysokou účinností a druhý motor připojovat pouze v případě vysokého zatížení nebo při jízdě vysokou rychlostí. Toto řešení umožňuje zvýšit především celkovou účinnost pohonné jednotky a dojezd vozidla.
ho velkého motoru, který by měl uspokojit vysoké požadavky na dynamiku jízdy, bude tento motor při nízkém zatížení pracovat v pásmu mnohem nižší účinnosti než menší motor, který je dimenzován právě pro toto zatížení
maximální účinnosti.
Použitím dvou menších elektromotorů místo jednoho většího
rozložení hmotnosti vozidla, účinnosti chlazení jednotlivých součástí hmotnosti, velikosti a ceny součástí. Může také
životnosti jednotlivých součástí.
většímu elektromotoru ořádání pohonného ústrojí nazývané Dual Motor Drive System . Systém poskytuje ých vlastností. Námět Další text v této kapitole
ystem [20]
Uspořádání DMDS může být navrženo tak, aby poskytovalo výborné parametry jednak s ohledem na optimální křivky výkonu, tak i s ohledem na celkovou efektivitu
ením zátěže mezi dva požadované provozní teplotě, zejména
DMDS umožňuje optimalizovat pohonné ústrojí pro rozdílné provozní pro jízdu s nízkou konstantní rychlostí s celkovou vysokou účinností a druhý motor připojovat pouze v případě vysokého zatížení nebo při jízdě vysokou rychlostí. Toto řešení umožňuje zvýšit především celkovou účinnost pohonné jednotky a dojezd vozidla. Při použití pouze ho velkého motoru, který by měl uspokojit vysoké požadavky na dynamiku jízdy, bude tento motor při nízkém zatížení pracovat v pásmu mnohem nižší účinnosti než menší motor, který je dimenzován právě pro toto zatížení
může být dosaženo rozložení hmotnosti vozidla, účinnosti chlazení jednotlivých součástí
také dojít k prodloužení
2.3 Uspořádání převodovky
Při určování převodového poměru byly zohledněny dostupné parametry použitých elektromotorů a současně požadavky pro provoz vozidla na běžných pozemních komunikacích tak, aby bylo vozidlo s tímto pohonným ústrojím schopno dosahovat dostatečných rychlostí umožňujících pohodlné cestování i na dálnicích.
Pro snížení výrobních nákladů převodovky byly posouzeny parametry komponentů v sériově vyráběných převodovkách, které jsou používány v osobních automobilech společnosti Škoda Auto a.s. a shoda s potřebnými parametry byla nalezena v převodovce Škoda MQ200 02T. Převodovka je montována například do automobilu Škoda Fabia a je schopna přenášet maximální točivý moment 200 Nm.
Pro účely převodovky elektromobilu byl vybrán čtvrtý rychlostní stupeň, který společně s převodem rozvodovky dosahuje celkového převodového poměru 4,027 a jeho umístění těsně vedle soukolí rozvodovky je pro potřeby prototypu ideální.
Obr. 11 Návrh uspořádání převodovky
V navrženém uspořádání převodovky je každý z motorů umístěn na jedné straně převodovky a točivý moment z obou motorů je přiváděn na hnací hřídel převodovky.
Jako soukolí č.1 je použitý čtvrtý rychlostní stupeň z převodovky Škoda MQ200 02T, stejně tak soukolí rozvodovky s diferenciálem. Diferenciál je použitý včetně přírubových hřídelů, což umožňuje připojení příčných hnacích hřídelů z vozidel Škoda. Motory jsou vůči vozu uložené napříč za přední nápravou.
Osová vzdálenost hřídele č.1 a hřídele č.2 je 65 mm, hřídele č.2 a osy ložisek rozvodovky 111 mm. Umístění os všech tří dvojic ložisek do jedné roviny vytváří dostatečnou vzdálenost mezi elektromotory a příčnými hnacími hřídeli.
2.4 Hnací charakteristika vozidla nižší střední třídy
Pro výpočet potřebných veličin pro sestavení hnací charakteristiky byly použity parametry vozidla Škoda Octavia třetí generace s motorem 1.2 TSI. Ve výpočtu není zohledněna případná změna hmotnosti vozu způsobená záměnou pohonného ústrojí a zástavbou potřebných akumulátorů.
Parametry vozidla
Pohotovostní hmotnost + 75kg řidič m [kg] 1225
Délka/šířka/výška - [mm] 4659/1814/1461
Světlá výška - [mm] 140
Součinitel odporu vzduchu cx [-] 0,29
Rozměr pneumatik - [-] 205/55 R16
Parametry převodovky Celková mechanická účinnost
převodů (předpokládaná) μmech [-] 0,95
Převodový poměr soukolí č.1 i1 [-] 0,881
Převodový poměr rozvodovky iR [-] 4,571
Celkový převodový poměr ic [-] 4,027
Ostatní parametry
Součinitel odporu valení f [-] 0,012
Hustota vzduchu ρ [kg/m3] 1,25
Gravitační zrychlení g [m/s2] 9,81
Tab. 2 Parametry potřebné pro sestavení hnací charakteristiky vozu nižší střední třídy
Hodnoty točivého momentu motoru byly použity z charakteristiky motoru uvedené v Graf 2.
Rychlost vozidla v:
c m
i n v r
60 2
(1) Hnací síla na kole vozidla Fk:
r i M r
FK MK M c mech (2) Jízdní odpor valení Of:
G f
Of (3)
Jízdní aerodynamický odpor Ov:
2
2
1 c S v
Ov x x (4)
Graf 3 Hnací charakteristika vozidla nižší střední třídy
Z charakteristiky vyplývá, že vozidlo bude s oběma motory schopné dosahovat maximální rychlosti 145 km/h. Pro udržení dálniční rychlosti 130 km/h budou oba motory moci pracovat v nepřetržitém režimu. V oblastech nižšího provozního zatížení a rychlostí do 100 km/h se bude pro pohon vozidla moci použít pouze jeden motor.
2.5 eŠus
Pro první testování a zkoušení celého pohonného ústrojí bude využito dvoumístné dvoustopé vozidlo nazývané eŠus, které bylo vyrobeno na Technické univerzitě v Liberci ve spolupráci Fakulty strojní a Fakulty mechatroniky, informatiky a mezioborových studií v projektu nazvaném „elektromobilita na TUL”.
Jedná se o dvoumístné dvoustopé vozidlo karoserie typu roadster s pevným rámem a přední hnanou nápravou. Konstrukce rámu je smíšená s převažujícím nasazením dílů ze stavebnicového systému extrudovaných hliníkových profilů.
Ocelové díly jsou použity pouze na zvláště namáhaných místech konstrukce.
Z tohoto důvodu si vozidlo vysloužilo pracovní a později i oficiální název eŠus. [22]
Obr. 12 Fotografie vozidla eŠus [23]
Použitá konstrukce rámu z hliníkových profilů zajišťuje u vozidla snadný přístup ke všem důležitým součástem vozidla a umožní snadnou zástavbu nového pohonného ústrojí pro testovací účely.
2.6 Hnací charakteristika vozidla eŠus
Při výpočtu hnací charakteristiky byla uvažována hmotnost vozu včetně odhadované hmotnosti pohonného ústrojí a včetně hmotnosti trakční baterie.
Pro výpočet potřebných veličin hnací charakteristiky byly použity rovnice (1) - (4).
Parametry vozidla
Pohotovostní hmotnost + 75kg řidič m [kg] 750
Čelní plocha vozidla Sx [m2] 1,8
Součinitel odporu vzduchu cx [-] 0,40
Rozměr pneumatik - [-] 195/55 R15
Parametry převodovky Celková mechanická účinnost
převodů (předpokládaná) μmech [-] 0,95
Převodový poměr soukolí č.1 i1 [-] 0,881
Převodový poměr rozvodovky iR [-] 4,571
Celkový převodový poměr ic [-] 4,027
Ostatní parametry
Součinitel odporu valení f [-] 0,012
Hustota vzduchu ρ [kg/m3] 1,25
Gravitační zrychlení g [m/s2] 9,81
Tab. 3 Parametry potřebné pro sestavení hnací charakteristiky vozidla eŠus
Graf 4 Hnací charakteristika vozidla eŠus
I přes výrazně nižší hmotnost vozidla eŠus oproti vozu Škoda Octavia došlo díky výrazně vyššímu aerodynamickému odporu cx ke snížení dosahované maximální rychlosti na 140 km/h. Ostatní vlastnosti jsou velice podobné jako v případě Škody Octavie v kapitole 2.4.
3 Konstrukce převodovky
3.1 Použité komponenty z převodovky Škoda MQ200 02T
Jak již bylo zmíněno v kapitole 2.3, v konstrukci převodovky jsou použita dvě ozubená soukolí z převodovky Škoda MQ200 02T. Použité díly jsou vyobrazeny na Obr. 13.
Obr. 13 Komponenty z převodovka Škoda MQ200 02T
Převodovka MQ200 používá na levé straně kuličková ložiska zastavěná do držáku ložisek. Celý modul s ložisky je pak do skříně zalisován svým profilem a zajištěn šesti šrouby. Na pravé straně se nacházejí dvě válečková ložiska a na rozvodovce jsou ložiska kuželíková.
Díky původnímu umístění soukolí čtvrtého rychlostního stupně těsně vedle soukolí rozvodovky bylo možné použít i hnanou hřídel převodovky. Součástí hřídele je i hnací kolo rozvodovky. Původní hnaná hřídel je ještě před tepelným zpracováním zkrácena a je na ní obrobeno uložení pro levé ložisko.
Rozvodovka s diferenciálem je oproti původnímu umístění otočena o 180°
z důvodu zkrácení výsledné hloubky převodovky. Rozvodovka je použita včetně přírubových hřídelí pro připojení příčných hnacích hřídelí automobilu (pozn. přírubové hřídele nejsou na Obr. 13 vyobrazeny).
3.2 Konstrukce hřídele č.1
Vzhledem ke zvolenému uspořádání převodovky se dvěma vstupy na hnací hřídeli nebylo možné použít původní hnací hřídel a bylo nutné navrhnout hřídel novou. Hřídel je zobrazená se všemi součástmi na Obr. 14.
Obr. 14 Hřídel č.1
Součástí hřídele je kolo parkovací západky umístěné napravo od ozubeného kola 11, (více o parkovací západce v kapitole 3.5). Ozubené kolo 11 je v převodovce MQ200 uloženo volně na jehličkovém ložisku. Pro potřeby prototypu je toto kolo na hřídeli č.1 nalisováno. Výpočet nalisování je proveden v kapitole 3.2.1.
Na obou stranách vedle ložisek směrem ven z převodovky jsou umístěny hřídelové těsnicí kroužky. Pro připojení elektromotorů přes navržené spojky jsou na obou stranách hřídele navrženy spoje těsnými pery. Výpočet návrhu spojů je proveden v kapitolách 3.2.2 a 3.2.3.
3.2.1 Výpočet nalisování ozubeného kola 11 Vnitřní průměr náboje: d1= 35,5G6 mm
Vnější průměr náboje: d2= 66,8 mm Průměr nalisování: dp= 35,5 mm Délka náboje: l = 19,7 mm
Součinitel tření ve stykové ploše: f = 0,15 Dovolené napětí náboje v tahu: σDt = 580 MPa Max. přenášený točivý moment: Mk= 220 Nm Bezpečnost přenosu: kw= 1,2
Potřebný třecí moment:
2
2 1
1
p
T p f l d
M (5)
Pro třecí moment musí platit:
T
k M
M (6)
Zavedení součinitele bezpečnosti přenosu:
w T
T M k
M (7)
Po dosazení vyjde minimální hodnota tlaku pro přenos daného zatížení:
d MPa l f
M p k
p k
w 45,13
2
min 2
(8)
Pro radiální a tečné napětí platí:
2r A B
r r
(9)
2r A B
t r
(10)
Okrajové podmínky pro náboj:
rp pmin IIr
(11)
r2 0II
r (12)
Okrajové podmínky pro hřídel:
rp pmin Ir
(13)
0 tI
0I
r
(14)
Po dosazení a úpravě:
rp pmin IIr
(15)
IIp p p
II
t p C
r r
r p r
r
2 2 min
2 2 2 2
min (16)
787 ,
2 1
2 2
2 2
2
p II p
r r
r
C r (17)
rp pmin Ir
(18)
rp pmin It
(19)
Pružné deformace získané dosazením příslušných hodnot do Hookeova zákona pro dvouosou napjatost:
p p
mE r d E r
d1I d1 tI p rI p 1 min min 5,340
(20)
p C p
mE r d E r
d1II d1 tII p rII p 1 min II min 15,923
(21)
Minimální přesah hřídele získaný sečtením pružných deformací z rovnic (20) a (21):
C
mE p
d1min d1 min 1 II 21,264
(22)
Tolerančnímu poli náboje G6 odpovídají tolerance +9 µm a +25 µm.
Minimální rozměr hřídele získaný sečtením většího rozměru tolerance náboje a minimálního přesahu hřídele:
m d
mm
d1min 35,525 1min 35,546 (23) Z výsledku minimálního rozměru hřídele je zvoleno toleranční pole hřídele t5, pro které jsou tolerance +48 µm a +59 µm. Při montáži se bude přesah pohybovat v rozmezí 23 µm až 50 µm.
Podmínka pevnostní kontroly je splněna:
E Dt
d d
1max 1 (24)
m
m
98
50 (25)
3.2.2 Návrh spojení perem pro levou spojku
Pro spoj jsou použita dvě pera navzájem pootočená o 120°.
Materiál pera: 11 600
Dovolený tlak: pd= 120 MPa
Dovolené napětí materiálu pera ve smyku: τD = 60 MPa Max. točivý moment motoru: Mk= 110 Nm
Průměr hřídele: d = 19 mm Rozměry pera b x h x lp: 6 x 6 x lp
Minimální délka pera lpmin:
d mm h p
M l
k
p 4 2 16,08
min
(26)
Délka pera je zvolena na lp= 18 mm.
Kontrola tlaku ve stykových plochách pera a hřídele:
MPa l MPa
d h
M p
p k
120 2 107
4
(27)
Kontrola předpokládaného rovnoměrného rozložení tlaku:
d
lp 1,2 (28)
mm mm 22,8
18 (29)
Kontrola dovoleného napětí ve smyku:
MPa l MPa
d b
M
p k
S 2 2 53,6 60
(30)
Volba pera: 2x PERO 6e7x6x18 ČSN 02 2562 3.2.3 Návrh spojení perem pro pravou spojku
Pro spoj jsou použita dvě pera navzájem pootočená o 120°.
Materiál pera: 11 600
Dovolený tlak: pd = 120 MPa
Dovolené napětí materiálu pera ve smyku: τD = 60 MPa Max. točivý moment motoru: Mk= 110 Nm
Průměr hřídele: d = 21 mm
Rozměry pera (b x h x lp): 6 x 6 x lp
Minimální délka pera lpmin:
d mm h p
M l
k
p 4 2 14,55
min
(31)
Délka pera je zvolena na lp= 16 mm.
Kontrola tlaku ve stykových plochách pera a hřídele:
MPa l MPa
d h
M p
p k
120 1
, 2 109
4
(32)
Kontrola předpokládaného rovnoměrného rozložení tlaku:
d
lp 1,2 (33)
mm mm 25,2
16 (34)
Kontrola dovoleného napětí ve smyku:
MPa l MPa
d b
M
p k
S 2 2 54,6 60
(35)
Volba pera: 2x PERO 6e7x6x16 ČSN 02 2562
3.3 Připojení elektromotorů k převodovce
Výstupní hřídel elektromotorů je z výroby připravena na spojení drážkovým klínem, který svými rozměry neodpovídá běžně používaným normovaným klínům.
V době vypracování diplomové práce nebyla definitivně ověřena možnost záměny hřídele v elektromotoru, a proto bylo pro spojení s hnací hřídelí prototypu převodovky navrženo spojení pomocí válcové spojky zobrazené na Obr. 15 (vpravo).
Výpočet návrhu spoje je proveden v kapitole 3.3.1.
Obr. 15 Elektromotor s přírubou (vlevo), navržená spojka (vpravo)
Jedná se o přírubové elektromotory a pro jejich připevnění ke skříni převodovky byly navrženy válcové příruby s tloušťkou stěny 10 mm ze stejného materiálu, jako je navržena skříň převodovky, vyobrazené na Obr. 15 (vlevo). Toto konstrukční řešení spolu s navrženými pery na hřídeli č.1 umožňuje do budoucna inovaci v provedení záměny výstupní hřídele v elektromotorech za hřídel ukončenou otvorem s vnitřními drážkami pro spoj těsnými pery a náhrady přírub elektromotorů pro dosažení menších celkových rozměrů pohonného ústrojí.
3.3.1 Návrh spojení drážkovým klínem pro spoj spojka-motor
Vzhledem k velikosti drážky pro klínek na hřídeli motoru o šířce 4,78 mm a délce 36 mm na průměru 22,23 mm je pro spoj použit klín 8x7x36 ČSN 02 2531 upravený na rozměr 4,78x7x36.
Materiál pera: 11 600
Dovolený tlak: pd = 120 MPa
Dovolené napětí materiálu pera ve smyku: τD = 60 MPa Max. točivý moment motoru: Mk= 110 Nm
Průměr hřídele: d = 22,23 mm
Rozměry klínu (b x h x l): 4,78 x 7 x 36 Kontrola tlaku ve stykových plochách:
MPa l MPa
d h
p 4 Mk 78,5 120
(36)
Kontrola dovoleného napětí ve smyku:
MPa l MPa
d b
Mk
S 2 57,5 60
(37)
Volba klínu: KLÍN 4,78x7x36 (úprava klínu 8x7x36 ČSN 02 2531)
3.4 Konstrukce skříně převodovky
Vnitřní komponenty převodovky byly zastavěny do skříně z hliníkové slitiny.
Plánovaná technologie výroby skříně je třískové obrábění na CNC frézce. Tvary skříně převodovky jsou pro tuto technologii výroby uzpůsobeny.
Obr. 16 Řez konstrukcí převodovky
Skříň převodovky byla konstruována také s ohledem na nízkou hmotnost a dostatečnou tuhost konstrukce. Minimální tloušťka stěny je 5 mm a v místech spojení víka se skříní převodovky má okraj tloušťku 8 mm. Ve více namáhaných místech, například v okolí uložení ložisek a v místech pro připevnění přírub motorů, je tloušťka stěny zesílena.
Pro dodržení vzájemné souososti jsou víko a skříň vůči sobě zajištěny přesnými kolíky.
Obr. 17 Skříň převodovky
Obr. 18 Víko převodovky
Materiál pro výrobu skříně byl po konzultaci s pracovníky výroby zvolen EN AW 7021 [AlZn5,5Mg1,5]. Hlavními důvody bylo jeho extrémně nízké vnitřní pnutí, velmi dobrá tvarová stálost, vysoká pevnost a velmi dobrá obrobitelnost. [24]
Mez kluzu [MPa] 290
Pevnost v tahu [MPa] 320
Modul pružnosti v tahu [MPa] 70 000 Tab. 4 Materiálové vlastnosti EN AQ 7021 [24]
Obr. 19 Celková sestava pohonného ústrojí elektromobilu
Pro plnění a vypouštění oleje jsou na převodovce vytvořeny dva otvory se zátkami. Množství náplně oleje bylo určeno z 3D modelu převodovky. Předepsaný typ syntetického oleje je stejný jako v původní převodovce MQ200 - G 50 SAE 75 W 90 o množství 0,8 l.
Předpokládaná hmotnost skříně převodovky včetně přírub pro připojení elektromotorů je podle 3D modelu cca 8 kg.
3.5 Mechanismus parkovací západky
Použité elektromotory nevyvozují žádný brzdný účinek při nečinnosti jako běžné spalovací motory používané v automobilech. Proto je nezbytné, aby převodovka obsahovala mechanismus umožňující zablokování některé své části tak, aby bylo vozidlo zajištěno proti pohybu při zastavení v případech, kdy není zatažena ruční brzda.
Systémy parkovacích západek jsou používány například v automatických dvouspojkových převodovkách, ve kterých jsou při vypnutém motoru rozpojeny spojky a vozidlo by se tak bez zatažené ruční brzdy mohlo pohybovat.
Základní deska je navržena pro výrobu frézováním na CNC stroji a zvolený materiál je stejný jako materiál skříně převodovky. Západka je navržena jako výpalek z materiálu 11 523. Ostatní díly pocházejí z parkovací západky dvouspojkové převodovky DSG používané v některých automobilech Škoda.
Konstrukci mechanismu parkovací západky jsem vypracoval v rámci předmětu KPII během akademického roku 2013/2014.
Obr. 20 Mechanismus parkovací západky
