УДК 62-835

Морфологический анализ компоновки электромеханической трансмиссии гоночного электроболида класса «Формула студент»

Николаев Владислав Андреевич – магистрант Южно-Уральского государственного университета

Школяренко Анастасия Олеговна – магистрант Южно-Уральского государственного университета

Ивандикова Полина Сергеевна – магистрант Южно-Уральского государственного университета

Аленов Ален Жаксклыкович – магистрант Южно-Уральского государственного университета

Научный руководитель Илимбетов Рафаэль Юрикович – кандидат технических наук, доцент кафедры Электропривода мехатроники и электромеханики Южно-Уральского государственного университета

Аннотация: Formula Student — это один из самых популярных и успешных международных образовательных проектов, который был принят Сообществом автомобильных инженеров (SAE). Он помогает студентам реализовать свои технические и творческие идеи, но с ограничением в соответствии с техническим регламентом инженерных соревнований. Основной задачей проекта является в развитии у студентов необходимых инженерных компетенций по разработке, проектированию и исследованию конструктивных особенностей гоночного автомобиля, который должен быть как маневренным, так и устойчивым на гоночной трассе. По мимо этого студенты должны уметь разработать бизнес-план проекта для привлечения потенциальных спонсоров и создать оптимальный по стоимости гоночный студенческий автомобиль. С 2023 года все большую популярность в международных инженерных соревнованиях набирает класс "Formula Student Electric", в котором используется тяговый электропривод с различными компоновочными схемами как электродвигателей, так и аккумуляторных батарей.

Ключевые слова: скорость, вес, мощность, охлаждение, привод, аккумуляторные батареи.

Введение

В условиях строгих требований к эффективности и надежности в гоночном спорте все больше внимания уделяется инновационным инженерным решениям, включая морфологический анализ компоновки электромеханической трансмиссии гоночного электроболида.

Эта статья фокусируется на анализе и оптимизации трансмиссии для гоночного автомобиля в категории «Formula Student», где компоновка трансмиссии играет важную роль в обеспечении высочайшей производительности и эффективности.

Целью данной работы является комплексный морфологический анализ  электромеханической трансмиссии гоночного электроболида класса «Formula Student» с точки зрения максимальной динамики, высокой управляемости и минимальной массы транспортного средства.

На международных соревнованиях «Formula Student» участвует более 500 университетских команд. У каждой команды свои конструктивные и технические решения изготовленных болидов. На основании существующих компоновочных решений проведем морфологический анализ.

Морфологический анализ конфигурации трансмиссии гоночных электроболидов

1. Один двигатель. Привод на задние колеса.

Рисунок 1. Трансмиссия с приводом на задние колеса [1].

Преимущества:

• Простая и надежная схема трансмиссии с одиночным задним двигателем обеспечивает устойчивость и надежность работы в гоночных условиях.
• Задний привод и одиночный двигатель обеспечивают прямое управление и четкое ощущение дороги.

Недостатки:

• Включают ограниченную форсировку из-за одного двигателя и ограниченное распределение мощности только на заднюю ось, что влияет на общую мощность и динамику.

2. Один двигатель. Привод на передние колеса.

Преимущества:

• Лучшая управляемость на поворотах за счёт более надежного сцепления с дорогой при переднем приводе.

Рисунок 2. Конфигурация трансмиссии с приводом на передние колеса [1].

Экономия веса и простота конструкции из-за отсутствия механизма привода на задние колеса, что может повысить общую динамику и ускорение.

Недостатки:

• Ограниченная динамика разгона возможна из-за потери сцепления задних колес с дорогой, что может быть критично на прямых участках трассы.
• Ограниченная возможность адаптации и распределения мощности при переднем приводе в зависимости от условий и потребностей.

3. Один двигатель. Привод на все колеса.

Рисунок 3. Конфигурация трансмиссии с приводом на все колеса [1].

Преимущества:

• Улучшенная управляемость и сцепление на различных поверхностях и в условиях, что полезно на трассах с переменными условиями. Более равномерное распределение мощности, улучшающее динамику и устойчивость на поворотах. Увеличенная тяга и ускорение за счёт использования всех колес для передачи мощности.

Недостатки:

• Сложная техническая реализация, требующая более тщательного обслуживания и возможно более высоких затрат. Дополнительный вес и расход энергии, что может быть нежелательным на гоночной трассе.

4. Два двигателя. Электромобиль с независимым приводом передних и задних колес (FRID EV).

Рисунок 4. Конфигурация трансмиссии передне- и заднеприводного элетромобиля независимого типа [1].

Преимущества:

• Улучшенная управляемость и устойчивость на различных поверхностях, что повышает безопасность в поворотах. Повышенная динамика и ускорение за счёт оптимальной работы каждого двигателя с передними или задними колесами. Повышенная надежность благодаря наличию двух независимых двигателей, что увеличивает безопасность автомобиля.

Недостатки:

• Увеличенная сложность конструкции, техническое обслуживание, вес и стоимость производства.Увеличенный расход энергии из-за наличия двух двигателей, что может сказаться на энергоэффективности.

5. Два двигателя. Заднее расположение двигателей на ступицах колес.

Рисунок 5. Конфигурация трансмиссии с двигателями в задних ступицах [1].

Преимущества:

• Лучшая управляемость и динамика в поворотах и на трассе за счёт распределения двигателей на ступицы колес. Улучшенная равномерность распределения мощности на каждом колесе, обеспечивающая лучшую тягу и ускорение, особенно при выходе из поворотов.

Недостатки:

• Сложная интеграция в общую конструкцию и более сложное обслуживание системы с двумя двигателями на ступицах колес.

6. Два двигателя. Переднее расположение двигателей на ступицах колес.

Рисунок 6. Конфигурация трансмиссии с двигателями в передних ступицах [1].

Преимущества:

• Улучшенная устойчивость и управляемость на поворотах за счет распределения двигателей на передние ступицы колес. Улучшенная тяга и ускорение за счет оптимальной работы каждого двигателя на передних колесах. Эффективное использование пространства в области передних ступиц.

Недостатки:

• Повышенный вес и нагрузка на передней оси, влияющие на управляемость и динамику разгона. Повышенная сложность интеграции двигателей на передней оси, требующая дополнительной настройки и обслуживания.

7. Три двигателя. Один двигатель в переднем валу и два задних в ступицах колес.

Рисунок 7. Конфигурация трансмиссии один двигатель в переднем валу и два в задних ступицах [1].

Преимущества:

• Лучшая динамика и управляемость благодаря комбинации одного двигателя на переднем валу и двух двигателей в задних ступицах колес. Отличная тяга и ускорение за счет максимального использования сцепления каждого заднего колеса с дорогой.

Недостатки:

• Сложность настройки и обслуживания, требующая высокой точности и повышенных затрат на техническое обслуживание. Дополнительный вес и пространственные ограничения, негативно влияющие на общую динамику и управляемость болида.

8. Три двигателя. Один двигатель в заднем валу и два передних в ступицах колес.

Рисунок 8. Конфигурация трансмиссии один двигатель на заднем валу и два в передних ступицах [1].

Преимущества:

• Улучшенная управляемость и стабильность в поворотах и на неровной поверхности благодаря двум передним двигателям в ступицах колес. Более точная регулировка сцепления и тяги каждого переднего колеса, что обеспечивает улучшенное ускорение. Эффективное использование мощности и повышенная производительность автомобиля.

Недостатки:

• Увеличенная сложность конструкции и затраты на производство из-за высоких требований к интеграции двух передних двигателей в ступицах колес.

Дополнительный вес и занимаемое пространство, влияющие на общую динамику и управляемость автомобиля.

9. Четыре двигателя. Четыре ступицы с колесными двигателями

Рисунок 9. Конфигурация трансмиссии с двигателями на четырех ступицах [1].

Преимущества:

• Улучшенная управляемость и маневренность благодаря индивидуальному двигателю на каждом колесе. Улучшенная динамика разгона и проходимость за счет регулировки мощности каждого колеса.

Недостатки:

• Сложность управления и настройки системы с четырьмя двигателями, требующая повышенных затрат на техническое обслуживание.

На основании представленного морфологического анализа можно сделать вывод, что наиболее удачной конфигурацией для гоночного электробооида с точки зрения управляемости, динамики движения и экономической эффективности на наш взгляд будут считаться   с четырьмя двигателями на четырех ступицах и двумя на заднюю ось. Это позволит добиться максимальных результатов в соревнованиях гоночных электроболидов.

Сравнительный анализ элетроболидов ведущих студенческих команд

По итогам международных соревнований «Formula Student» за 2023 год, нами проанализирована пятерка лучших студенческих команд. Рассмотрим следующие из них:                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           

1. Команда «Ecurie Aix Electric» с болидом EACE09 [2].

№	Наименование	Параметры
1	Наименование болида	EACE09
2	Электродвигатель	4 PMSM, Рн =32 кВт, Мн =23 Нм
3	АКБ	U=600 В, С = 6,8 кВт*ч Рмакс =80 кВт.
4	Масса	220 кг
5	Компоновочная схема	Схема -№9 с 4 электродвигателями

2. Команда «TUfast Racing Team» [2].

№	Наименование	Параметры
1	Наименование болида	EB020
2	Электродвигатель	4 х Fischer, Р=35 кВт, М=29,1 Нм
3	АКБ	C=6,3 кВт*ч, Р=80 кВт
4	Масса	146 кг
5	Компоновочная схема	Схема -№9 с 4 электродвигателями

3. Команда «TU Brno Racing».[2]

№	Наименование	Параметры
1	Наименование болида	Dragon E3
2	Электродвигатель	2 x 3-фазный синхронный двигателя, P=35 кВт
3	АКБ	U=600 В, C= 8 кВт*ч, батарея Grepow 757920
4	Масса	174 кг
5	Компоновочная схема	Схема -№5 Два двигателя на задних  ступицах колес

4. Команда «DHBW Engineering Stuttgart» [2]

№	Наименование	Параметры
1	Наименование болида	eSleek23
2	Электродвигатель	4x AMK DT5, P=38 кВт, М=1400 Нм
3	АКБ	600 В; 6,82 кВт*ч; 138s2p в 6 модулях
4	Масса	181,76 кг
5	Компоновочная схема	Схема -№9 с 4 электродвигателями

5. Команда «Bodensee Racing Team» [2]

№	Наименование	Параметры
1	Наименование болида	Iltis 23E
2	Электродвигатель	4 х DD5-14-10-POW-18600-B5, Р=36 кВт, М=21 Нм
3	АКБ	LV-Batterie
4	Масса	190 кг
5	Компоновочная схема	Схема -№9 с 4 электродвигателями

Выводы

Морфологический анализ показал, что у студенческих команд мирового уровня основные схемы трансмиссии - 4х4 и 4х2. Четыре из пяти команд выбрали 4х4 из-за возможности регулировать мощность и поведение каждого колеса отдельно, что обеспечивает улучшенную управляемость, маневренность и динамику разгона.

Для разрабатываемого электроболида студенческой командой Южно-Уральского Государственного Университета предпочтительно начать с конфигурации 4х2 из-за имеющихся наработок. После оптимизации этой конфигурации возможен переход к более сложной и дорогой конфигурации 4х4 для повышения динамики и управляемости.

Список литературы

1. Master Thesis Main Supervisor: Francisco J. Márquez – Fernández Main Industrial Supervisor: Filip Kronstrom Examiner: Martin Tunér
2. https://www.formulastudent.de/fsg/results/2023/
3. Синтез и анализ вентильных электродвигателей комбинированного возбуждения для электротрансмиссий наземных транспортных средств, Чуйдук Иван Александрович
4. Разработка и исследование системы управления электроприводом гоночного болида с учетом регламента «Формула Студент», Р.Ю, Илимбетов, Т.Р. Мажитов
5. Компоновка тягового электропривода для электроболида «Формулы Студент» класса «Электрик»/ Коробков Д.С [и др.] // АПК РОССИИ. – 2015. −Т. 74. – С 86-89.
6. Горшков, В.Н. Разработка концепции электромобиля Formula Student: дис. магистра / В.Н. Горшков. – Тольятти, 2017. – 109 с.
7. Ключев, В.И. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов: Учеб. для вузов/ В.И. Ключев, В.М. Терехов. – М.: Энергия, 1980. – 358 с.
8. Разработка системы управления электроболидом с учетом регламента «Formula Student Electric»/Возмилов А.Г [и др.] // АПК РОССИИ. – 2015. −Т. 74. - С 42-46.