Колесо с мотором

Идея применения электромотора, интегрированного прямо в колесо, давно привлекает разработчиков гибридов и электромобилей. Электрические мотор-колеса наделяют машину невиданными возможностями и преимуществами.

Устройство и премущества мотор-колеса

Во-первых, отпадает необходимость в трансмиссии – сцеплении, коробке передач, приводных валах и дифференциалах. Это существенно снижает вес, а снижение веса – это дополнительная экономия топлива и снижение вредных выбросов. Кроме того, уменьшается стоимость автомобиля и снижаются затраты на его обслуживание и ремонт. Конструкция существенно упрощается, а, как известно, чем проще – тем надежнее. Отсутствие узлов трансмиссии освобождает больше полезного объема для размещения пассажиров и груза и позволяет конструкторам и дизайнерам шире проявить фантазию.

Во-вторых, машина получает отличную динамику: компактные и легкие электродвигатели развивают максимальный крутящий момент сразу же, как только на них подается питание. Значения крутящего момента могут достигать 700 Н*м.

В-третьих, управляемое мотор-колесо делает автомобиль чрезвычайно маневренным – ведь все колеса могут вращаться с разной скоростью и даже в разных направлениях. Машина способна разворачиваться на 360 градусов, парковаться в самых сложных условиях и мгновенно адаптироваться к качеству дорожного покрытия.

В-четвертых, значительно упрощается конструкция важнейшей для электромобилей системы регенерации энергии торможения.

В-пятых, ничто не сможет сравниться с мотор-колесом в обеспечении активной безопасности движения – любые алгоритмы систем ABS, ESP, Traction Control, Brake Assist и других легко программируются в блоке управления и могут воздействовать на каждое колесо индивидуально.

Недостатки мотор-колеса

Но на пути массового внедрения мотор-колес стоит и несколько нерешенных пока проблем. Главная из них – масса механизмов, помещаемых внутрь обода. Высокооборотные электродвигатели нуждаются в понижающем редукторе. Он должен быть компактным и герметичным. Редуктор добавляет несколько килограммов к общей массе колеса. Большая неподрессоренная масса, или, говоря проще, тяжелые колеса, резко снижают комфорт и управляемость, повышают износ подвески, передают на кузов больше вибраций. Оптимальный вес колеса для среднеразмерного автомобиля составляет от 10 до 30 кг без учета шины. Вписаться в эти жесткие рамки мотор-колесу очень непросто.

Практические разработки Michelin

Французская компания Michelin, всемирно известная не только своими разработками в области шин, но и исследованиями по созданию экономичного и экологически чистого транспорта, уже пятнадцать лет занимается разработкой инновационных мотор-колес для электромобилей. Мотор-колеса «Michelin active wheel» совмещают в одном узле тяговый электродвигатель, элементы управления и подвески и тормозной системы. Они могут применяться как в переднеприводном, так и в заднеприводном варианте, в зависимости от условий эксплуатации.

И все это при общем весе 35 килограмм, что не превышает вес обычного колеса легкового автомобиля! Ключевое место в этой технологии моторизированного колеса занимает миниатюрный электродвигатель. Разработанный Michelin, на сегодняшний день он является самым компактным на рынке. Беспрецедентное соотношение его мощности к массе предоставляет уникальную возможность для уменьшения неподрессоренной массы ходовой части автомобиля. Подобные попытки предпринимались и другими производителями, например Mitsubishi и Siemens, но они так и не дошли до серийного производства.

Мотор-колесо от Protean Electric

Несмотря на всю заманчивость идеи мотор-колеса, автопроизводители несколько лет назад отказались от нее из-за технических трудностей и недостатков. Но нашлись энтузиасты в лице американской компании Protean Electric, которая находится в полушаге от создания практической конструкции. Ее система под названием Protean Drive успешно прошла испытания на автомобилях Mercedes-Benz SLS AMG Coupe, Volvo C30, пикапе Ford F-150 и фургоне Vaxhaull Vivaro. В декабре 2012 года авторитетный американский журнал Car and Driver внес Protean Drive в десятку самых многообещающих технологий 2013 года. При ее разработке было получено 23 патента. Производственный образец компания продемонстрировала в апреле 2013 года, а полномасштабное производство планируется развернуть в 2014 году на вновь построенном заводе в Китае.

Protean Drive предназначена для использования в гибридных автомобилях и электромобилях. Причем она легко может быть адаптирована к уже выпускаемым моделям или для переоборудования автомобилей с ДВС в гибридные. С ее помощью можно реализовать передний, задний или полный привод. В комплект Protean Drive входит мотор, инвертор и блок управления с программным обеспечением. Все перечисленное легко помещается внутри обычного колеса размером от 18 до 24 дюйма. Благодаря прямому приводу отпадает необходимость в коробке передач, приводных валах и дифференциалах. Это ведет к уменьшению потерь на трение при передаче крутящего момента, позволяя сохранять энергию батареи и увеличить пробег без подзарядки. Protean Drive позволяет улучшить топливную экономичность более чем на 30%, в зависимости от размера батареи и режима движения.

Существенное снижение количества деталей приводит к значительному снижению стоимости, веса и повышению надежности. Высвобождаемое пространство «развязывает руки» дизайнерам и конструкторам, которым становится легче воплотить все свои творческие и технические замыслы. Каждое мотор-колесо может управляться контроллером независимо от остальных, что обеспечивает гораздо лучшую управляемость по сравнению с традиционными системами привода ведущих колес. Кроме того, мотор-колесо позволяет гораздо проще и эффективнее реализовать работу систем безопасности автомобиля – антипробуксовочной (traction control), контроля начала движения (launch control) и распределения крутящего момента (torque vectoring). К недостаткам следует отнести увеличение неподрессоренных масс и более слабое ускорение по сравнению с обычными автомобилями.

Мотор-колесо от Protean Electric на сегодняшний день имеет самые высокие показатели удельной мощности (110 л.с.) и крутящего момента (800 Нм) среди всех существующих электроприводных систем. И это при весе всего в 31 килограмм! Protean Drive также превосходит другие конструкции по возможностям рекуперации – до 85% энергии торможения используется для подзаряда батареи. Это позволяет увеличить пробег до 30%, уменьшить размеры батареи и снизить ее стоимость.

С электроприводом в колесах

Еще со времен Фердинанда Порше идут поиски технологий создания электромоторов, встроенных в колеса (мотор-колес или «хабов»). Можно вспомнить, в частности, Loher Electric Chaise 1898 года. Но о серийном производстве таких электромобилей пока речь не шла. Поэтому заслуживает внимания намерение немецкой компании Schaeffler выпустить модель с мотор-колесами.

Все разработки Schaeffler вела совместно со специалистами Ford Motor Company: такой ценный опыт вызвал появление на свет Ford Fiesta E-Wheel Drive. Вся ее мощь заключается в задних колесах: именно там расположились электродвигатели. Каждый из них способен обеспечивать мощность 45 л.с. и крутящий момент 350 Нм, а в сумме получается 90 л.с. и 700 Нм. Помимо самого электромотора, в 16-дюй-мовом диске спрятан редуктор, управляющий модуль, система охлаждения и, разумеется, тормозной механизм. Этого солидного набора достаточно, чтобы масса одного колеса-хаба возросла до 53 кг.

Главный инженер Schaeffler профессор Питер Гатцмер уверен, что схема со встроенным в колесо электродвигателем в будущем позволит создавать новый дизайн городских транспортных средств. «Для используемых в густонаселенных городах электромобилей колесо-хаб позволит добиться прежде неслыханной экономии пространства, – утверждает он. – В этих новых транспортных средствах все компоненты, отвечающие за разгон, движение и торможение, находятся внутри колеса.

Благодаря этому освобождается пространство для пассажиров, багажа, батарей, электроники и коммуникационных систем. Также производители смогут использовать эту базу для создания моделей с различным типом кузова». Свое мнение о Ford Fiesta E-Wheel Drive также высказал и представитель другой стороны – Роджер Грааф, менеджер исследовательских и передовых инженерных проектов Ford Europe. Он признался, что был воодушевлен тестовыми испытаниями электрокара в холодном климате Скандинавии: «Поездки на Ford Fiesta E-Wheel Drive, несомненно, показали, что поведение автомобиля на дороге в смысле комфорта и безопасности осталось фактически на прежнем уровне, несмотря на многократно увеличенные неподрессоренные массы».

Пока что Schaeffler не подписала контракт ни с одним крупным автопроизводителем. Однако специалисты компании уверены, что динамические характеристики, активная безопасность и связанная с экономией пространства практическая выгода сыграют существенную роль в судьбе мотор-колес. Также к их неоспоримым плюсам относят маневренность. Управляемые колеса не будут ограничивать ни валы приводов, ни компоновка моторного отсека, благодаря чему они смогут поворачиваться на угол до 90°.

Типы электроприводов колес

Выбор силового привода ведущих колес является серьезной технической проблемой, которую приходится решать при создании ТС. Во многих случаях предпочтение отдается электрическому приводу, применение которого относительно просто решает проблемы рационального разделения и передачи мощности от силовой установки к ведущим колесам при любой колесной формуле. Использование электромотор-колес (ЭМК) открывает реальные технические перспективы создания ТС новых конструкций, для которых трансмиссия в виде индивидуального электропривода ведущих колес является возможной или целесообразной.

Основными критериями, определяющими целесообразность применения электропривода с мотор-колесами на транспортных машинах по сравнению с механическим и гидромеханическим приводами, являются:

• массы агрегатов и узлов;
• эксплуатационные свойства (надежность в работе, трудоемкость, периодичность и простота обслуживания и т.п.);
• КПД системы привода;
• срок службы агрегатов;
• стоимость агрегатов и узлов привода и эксплуатационные расходы за установленный техническим заданием срок службы.

Основные параметры ЭМК определяют техническими и эксплуатационными характеристиками проектируемой транспортной машины. Вместе с тем возможно создание транспортных машин на базе существующих ЭМК с использованием соответствующей двигатель-генераторной установки, обеспечивающей питание электроэнергией определенного числа электродвигателей мотор-колес данной конструкции. Здесь появляется возможность унификации для ряда ТС различного класса и назначения такого сложного и дорогостоящего узла, как мотор-колесо.

Применение электропривода с мотор-колесами ТС обеспечивает следующие преимущества:

• свободный выбор колесной формулы;
• возможность создания ТС практически с любым числом ведущих осей, что недопустимо при других видах привода;
• существенное увеличение полной массы ТС без возрастания допустимой нагрузки на ось;
• свобода компоновки шасси, позволяющая получить большую степень соответствия конструкции шасси характеристикам перевозимого груза;
• повышение надежности привода в результате существенного упрощения для машин с колесной формулой 8 х 8 и более механической части электропривода по сравнению с механическими и гидромеханическими приводами, уменьшение числа подверженных изнашиванию деталей привода;
• уменьшение массы агрегатов электропривода по сравнению с массой агрегатов гидромеханического привода при относительно большой мощности теплового двигателя (500…700 кВт и более);
• повышение проходимости благодаря плавному нарастанию силы тяги на колесах, отсутствию дифференциального эффекта между осями и колесами и возможности введения в схему электропривода специального противобуксовочного устройства для каждого ЭМК;
• повышение общего КПД многоосных полноприводных машин в результате снижения потерь в шинах по сравнению с вариантом, в котором мощность реализуется при меньшем числе ведущих колес;
• обеспечение заданного диапазона силы тяги при бесступенчатом или двухступенчатом регулировании.

Недостатком электропривода является сравнительно высокая начальная стоимость его агрегатов.

В системах тегоюэлектропривода происходит двойное преоб-разование энергии, что отрицательно сказывается на общем КПД системы.

Известны следующие системы электропривода:

1. переменного тока с асинхронными двигателями мотор-колес;
2. переменного тока с синхронными двигателями мотор-колес, работающими по схеме вентильного двигателя;
3. постоянного тока с электродвигателями независимого возбуждения;
4. переменно-постоянного тока с генератором переменного тока, силовыми выпрямителями и электродвигателями постоянного тока независимого возбуждения.

Первая система позволяет максимально упростить конструкцию мотор-колеса, поскольку асинхронные двигатели отличаются простотой конструкции, имеют удельные массу и объем (т. е. массу и объем, отнесенные к мощности или номинальному моменту) существенно меньшие, чем масса и объем электродвигателей постоянного тока, и не требуют обслуживания в эксплуатации. Однако статический преобразователь частоты со схемой управления тиристорами, регулирующий частоту вращения и момент асинхронного двигателя, пока является сложным, дорогостоящим и недостаточно надежным в эксплуатации. Силовые блоки получаются громоздкими, а это затрудняет их установку на автомобиле. Коэффициент мощности системы всегда меньше единицы, что повышает ток асинхронных двигателей.

Вторая система позволяет сократить необходимое число тиристоров, а следовательно, массу и размеры силовых блоков, но требует применения синхронных двигателей. Они по конструкции сложнее асинхронных из-за наличия обмотки возбуждения на роторе, получающей питание от внешнего источника электроэнергии или возбудителя, обмотка статора которого установлена также на роторе двигателя.

В этой системе обычно используют датчик положения ротора или оси магнитного потока, устанавливаемый на валу электродвигателя. Этот датчик подает сигнал в систему управления преобразователя. Создание надежного работающего датчика положения для тяговых электродвигателей автомобиля — сложная задача. В настоящее время разрабатываются схемы управления вентильным двигателем без датчика положения. Механические характеристики вентильного двигателя аналогичны характеристикам электродвигателя постоянного тока. Коэффициент мощности системы близок к единице.

Третья система отличается от обычно исдользуемых систем с электродвигателями последовательного возбуждения более гибким регулированием силы тока независимой обмотки. При этом практически исключается тцристорное регулирование в цепи якоря электродвигателя, что позволяет значительно уменьшить силовые и коммутационные блоки. Конструкция мотор-колеса практически не связана с системой возбуждения электродвигателя.

Четвертая система целесообразна в том случае, когда можно использовать быстроходный генератор переменного тока, что позволяет существенно уменьшить его массу (с учетом массы силового выпрямителя). Конструкция мотор-колес остается такой же, как и в системах постоянного тока.

Род тока системы эдектропривода выбирают с учетом многих технико-экономических факторов, включая тип и назначение автомобиля, параметры первичного двигателя и шин, а также требований, предъявляемых к системе автоматического регулирования тягового электропривода. Выбор рода тока системы предшествует проектированию мотор-колеса.

Конструкции мотор-колес со встроенными тяговыми электро-двигателями постоянного тока по принципу компоновки могут быть разделены на две группы. К первой группе относятся мотор- колеса, у которых внутри обода колеса размещены редуктор и часть электродвигателя. Корпус двигателя служит для крепления колеса к раме машины.

В конструкциях второй группы электродвигатель размещается внутри обода колеса, а редуктор вынесен за его пределы. Редуктор имеет небольшой аксиальный размер, а его диаметр обычно больше диаметра обода колеса. Корпус редуктора применяется для присоединения мотор-колеса к раме машины.

Под компоновкой мотор-колеса понимают расположение его элементов в монтажном объеме, ограниченном посадочным диаметром по шине автомобиля. Основная задача, возникающая при компоновке, заключается в обеспечении доступа к тем элементам, которые требуют осмотра и обслуживания в процессе эксплуатации.

Компоновка мотор-колеса оказывает значительное влияние на его конструктивные и эксплуатационные свойства, в частности на осевой размер и массу. Поиск рационального решения компоновки является тем этапом проектирования мотор-колеса, на котором принимают принципиальные решения, вводящие последующий процесс конструирования агрегата в определенные и достаточно узкие рамки с точки зрения выбора тех или иных частных конструктивных решений. Конструктивная проработка отдельных узлов мотор-колеса лишь развивает принятое компоновочное решение.

В процессе анализа возможных компоновочных решений проектируемого мотор-колеса складывается рациональный вид компоновки, который учитывает технические параметры основных элементов агрегата. Практика проектирования мотор-колес выработала рациональные виды компоновки, которым подчинены компоновочные решения большинства современных мотор-колес. Благодаря упорядочению и рационализации видов компоновки удалось существенно повысить уровень конструкции мотор-колес.

Для современных методов рациональной компоновки мотор- колес характерно уменьшение до минимума свободных полостей в монтажном объеме. В подавляющем большинстве новых разработок четко выражена тенденция к уменьшению осевого размера мотор-колес, хотя есть и отдельные исключения.

Компоновка мотор-колеса должна удовлетворять многим требованиям, причем степень важности каждого из них в конкретных случаях различна. Некоторые из этих требований являются противоречивыми, т. е. одно из них реализуется теми конструктивными мерами, которые затрудняют удовлетворение другого требования. В задачу компоновки мотор-колеса входит выявление всех требований к его конструкции, установление очередности исполнения этих требований в соответствии со степенью их важности, обусловленной конструкцией и назначением автомобиля. Выполнение обязательных требований само по себе еще не гарантирует высокого качества конструкции мотор-колеса, а лишь позволяет в принципе применять мотор-колесо с данной компоновкой на конкретном ТС и создает необходимые предпосылки для рационального конструирования отдельных узлов агрегата.

Одним из возможных способов уменьшения массы и осевого размера мотор-колеса является использование переключаемого редуктора, обеспечивающего возможность работы мотор-колеса с двумя разными передаточными числами. Соответствующий выбор параметров электродвигателя и редуктора обеспечивает реализацию заданных тягово — скоростных показателей автомобиля и ограничение перегрузок электродвигателя при работе на каждой из двух передач редуктора двухскоростного мотор-колеса.

Двухскоростные мотор-колеса могут быть также созданы на базе асинхронных двигателей с переключением полюсов. Однако такие асинхронные двигатели имеют худшие показатели массы и большие размеры, чем обычные асинхронные двигатели, а изменение числа пар полюсов возможно только в отношении 2:1, что ограничивает выбор рабочих режимов электродвигателя при работе на I и II передачах.

Применение двухскоростных мотор-колес следует рекомендовать в тех случаях, когда ТС имеет широкий диапазон регулирования тягово-скоростных показателей, который не может быть реализован при односкоростных мотор-колесах с электродвигателями нормального исполнения. Альтернативой использованию переключаемого редуктора в этом случае является значительное увеличение размеров и массы электродвигателя постоянного тока или применение асинхронного двигателя с преобразователем, имеющим весьма широкий диапазон регулирования частоты на выходе. Такие решения оказываются нецелесообразными по экономическим соображениям и вследствие возникающих трудностей в компоновке мотор-колес, особенно в случае использования электродвигателей постоянного тока.

Конструкция двухскоростного мотор-колеса, в частности механизма переключения передач, зависит от характера применения этого механизма: во время движения или только на стоянках. Решение вопроса о режиме переключения зависит от назначения и условий эксплуатации конкретного ТС.

Характерной функциональной особенностью мотор-колес периодического действия является периодичность их режима работы. Это означает, что определенную часть времени движения ТС эти мотор-колеса отключены от автономного источника энергии — двигатель-генератора, а движение обеспечивают другие колеса с тем или иным видом привода.

По конструктивным признакам мотор-колеса периодического действия можно разделить на два типа:

• представляющие собой исполнительный механизм электропривода периодического действия;
• аналогичные по конструкции мотор-колесам постоянного действия, но отличающиеся режимом работы.

Электропривод периодического действия используют для активизации колес прицепа или полуприцепа автопоезда при сохранении серийного природа колес тягача. Электродвигатели мотор-колес получают питание от генератора, обычно имеющего привод от основного теплового двигателя. Если при этом отбор мощности на генератор происходит до гидротрансформатора, то благодаря этому мотор-колеса будут развивать пусковой момент при трогании автопоезда.

В случае смешанного привода автопоезда колеса тягача имеют механический гидропривод, а колеса прицепа — электропривод, причем последний применяют при движении на низших передачах коробки передач тягача. Чтобы предупредить возникновение значительных инерционных нагрузок во вращающихся деталях мотор-шлеса и уменьшить потери на перемешивание масла в редукторе, необходимо с переходом на более высокие передачи тягача разорвать кинематическую цепь между колесом и быстроходными звеньями редуктора, а также якорем (ротором) электродвигателя при помощи механизма сцепления, Механический тормоз должен быть связан с колесом. Мотор-колеса первого типа имеют электродвигатель с относительно небольшим моментом и редуктор с большим передаточным числом.

Мотор-колеса периодического действия второго типа используются на полноприводных автопоездах с большим числом ведущих осей. При движении в тяжелых дорожных условиях или с полной нагрузкой все мотор-колеса реализуют мощность, передаваемую от двигатель-генератора, и тягово-сцепные свойства автопоезда. При движении этих автопоездов по дорогам с усовершенствованным покрытием и неполной нагрузкой необходимая сила тяги машины значительно уменьшается. В этих условиях целесообразно отключить часть мотор-колес.