RAZVOJ VOZILA NA HIBRIDNI POGON S PRILAGODLJIVO … · 2018-08-23 · III Razvoj vozila na hibridni...

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

Bogdan Valentan

RAZVOJ VOZILA NA HIBRIDNI POGON S PRILAGODLJIVO REGULACIJO NAVORA POMOŽNEGA

MOTORJA

Diplomska naloga

MARIBOR, SEPTEMBER 2005

Diplomska naloga univerzitetnega študijskega programa

Razvoj vozila na hibridni pogon s prilagodljivo regulacijo navora pomožnega motorja

Študent: Bogdan Valentan

Študijski program: univerzitetni, Elektrotehnika

Smer: Mehatronika

Mentor FERI: izr. prof. dr. Riko Šafarič

Mentor FS: doc. dr. Igor Drstvenšek

Maribor, 1. september 2005

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO MARIBOR

II

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorjema doc. dr. Igorju

Drstvenšku in izr. prof. dr. Riku Šafariču za pomoč

pri realizaciji projekta in diplomske naloge. Hvala

tudi mag. Špeli Drstvenšek prof. mat. za pomoč pri

matematičnih izpeljavah.

Hvala punci Jasmini, hčerki Juliji, staršem in

prijateljem za potrpljenje ter pomoč v času študija.

Zahvaljujem se tudi vsem pokroviteljem za pomoč in

prispevke v času nastajanja projekta.

III

Razvoj vozila na hibridni pogon s prilagodljivo regulacijo navora pomožnega motorja

Ključne besede: alternativna vozila, dvojni pogon, ekološka vozila, hibridna vozila,

bovden poteg.

UDK: 629.11(043.2)

Povzetek

Onesnaženje okolja in želja po novih vrstah prevoznih sredstev nas je pripeljala do razvoja

sodobnega vozila na dvojni (hibridni) pogon.

Opisan je razvoj prevoznega sredstva, katero pretežno poganjamo z močjo človeških mišic,

pogon pa je podprt s pomožnim elektromotorjem. Ob primerni regulaciji lahko tak koncept

pomenil revolucijo pri mestnih in primestnih prevozih.

Preko splošnega opisa iskanja idej in osnovnih rešitev preidemo na konkretne rešitve, opis

modeliranja posameznih delov, sklopov, realizacijo le-teh v predstavljenem prototipu in

zaključimo s predstavitvijo stroškov projekta. Predstavljena je tudi izvedba aerodinamične

zaščitne karoserije in optimizacija oblike.

Poudarek je na predstavitvi prilagodljive regulacije navora pomožnega motorja, ki bazira

na meritvi sile na pedalu in krmilnem mehanizmu z bovdenskimi potegi. Vozilo kot celota

predstavlja moderno in ekološko sprejemljivo prevozno sredstvo, obenem pa orodje za

razgibavanje in izboljšanje fizične kondicije.

IV

Development of hybrid drive vehicle with flexible regulation of torque of assistant drive

Key words: alternative vehicles, double drive, ecological vehicles, hybride vehicles,

bowden steering.

UDK: 629.11(043.2)

Abstract

Pollution and desire for new kind of vehicles led us to a development of a new

contemporary vehicle with two driving sources (hybrid drive).

In this document a development of a transport vehicle is described, which is mainly driven

by a human power and backed-up by an electro-motor. Suitably regulated such a concept

may bring a revolution in the city and suburbs transportation.

The description starts with a representation of basic ideas and fundamental solutions,

continues with concrete solutions, description of parts and their modeling and concludes

with a production of a prototype and a financial part of a project with a total project costs

presentation. Realization of an aerodynamic protection bodywork and optimization of a

form are also presented.

The core of the document present a flexible torque regulation of the back-up electro-motor

based on a measuring of a load applied to the pedal and a steering mechanism realized

with bowden cables. The whole vehicle presents a modern and ecologically acceptable

transport solution. At the same time this is an instrument of simultaneous recreation as

well as a mean of physical condition improvement.

V

Vsebina

Povzetek ...................................................................................................................... III

Abstract........................................................................................................................ IV

Vsebina V

Slike VII

Preglednice IX

Uporabljene kratice X

1 Uvod 1

1.1 Osnovne karakteristike .......................................................................................... 2

2 Pregled stanja in primerjava s podobnimi izdelki 4

2.2 Prednosti vozila ..................................................................................................... 6

3 Sestava vozila 7

3.1 Komponente vozila................................................................................................ 7

3.2 Modeliranje in izdelava ......................................................................................... 9

3.2.1 Opis programskega paketa Catia ................................................................... 9

3.3 Pogon................................................................................................................... 11

3.4 Prenos moči ......................................................................................................... 17

3.5 Podvozje .............................................................................................................. 25

3.5.1 Krmiljenje koles .......................................................................................... 33

3.6 Karoserija ............................................................................................................ 41

VI

4 Izdelava modela 43

4.1 PolyJet postopek.................................................................................................. 43

4.2 Priprave za test v vetrovniku ............................................................................... 46

5 Regulacija pomožnega pogona 48

5.1 Meritev obremenitve ........................................................................................... 49

5.2 Model vozila in regulacija v MATLAB/Simulinku ............................................ 52

6 Finančni pogled na projekt 58

6.1 Stroški vozila ....................................................................................................... 61

7 Sklep 63

Literatura 64

Priloge 65

VII

Slike Slika 1.1: Sključen položaj pri kolesarjenju lahko povzroči zdravstvene težave.................. 3 Slika 2.1: Twike..................................................................................................................... 4 Slika 2.2: Arrow 45 ............................................................................................................... 5 Slika 2.3: Natalia-Florence Maverick.................................................................................... 5 Slika 2.4: Hyson 3000 ........................................................................................................... 5 Slika 3.1: Uporabniški vmesnik programskega paketa Catia V5 ........................................ 10 Slika 3.2: Izvedba pogona vozila......................................................................................... 11 Slika 3.3: Pogon preko pedal in gonilke.............................................................................. 11 Slika 3.4: Akumulator Vesna Energy.................................................................................. 13 Slika 3.5: Karakteristika maksimalnih vrtljajev v odvisnosti od napajalne napetosti ......... 13 Slika 3.6: 4Q regulator BLDC motorja ............................................................................... 15 Slika 3.7: Primerjava prestavnih razmerij ........................................................................... 17 Slika 3.8: Pogonski sklopi Shimano Alivio......................................................................... 19 Slika 3.9: Izvedba pogona pogonskega kolesa .................................................................... 19 Slika 3.10: Sprednja pogonska gred z menjalnikom ........................................................... 21 Slika 3.11: Zadnja pogonska gred ....................................................................................... 21 Slika 3.12: Zadnja pogonska gred ....................................................................................... 22 Slika 3.13: Zadnja pogonska gred s sklopko ....................................................................... 23 Slika 3.14: Ležišče ležaja .................................................................................................... 24 Slika 3.15: Pritrditev ležaja z objemkami............................................................................ 24 Slika 3.16: Model okvirja .................................................................................................... 25 Slika 3.17: Izdelan in pobarvan okvir vozila....................................................................... 25 Slika 3.18: Upogib nosilca .................................................................................................. 26 Slika 3.19: Napetosti v nosilcu............................................................................................ 26 Slika 3.20: Sedež z nosilcem ............................................................................................... 27 Slika 3.21: Nosilec kolesa ................................................................................................... 28 Slika 3.22: Sprednje vzmetenje ........................................................................................... 28 Slika 3.23: Ugoden kot sprednjega vzmetenja za neravnine ............................................... 29 Slika 3.24: Klasične vilice zadnjega vzmetenja .................................................................. 29 Slika 3.25: Pesto vozila ....................................................................................................... 30

VIII

Slika 3.26: Pesto v prerezu .................................................................................................. 30 Slika 3.27: Kolo vozila ........................................................................................................ 31 Slika 3.28: Pesto iz aluminija .............................................................................................. 31 Slika 3.29: Preprost y delilnik za hidravlično zavoro.......................................................... 32 Slika 3.30: Hayes HFX-9 .................................................................................................... 32 Slika 3.31: Krmiljenje koles z bovdenskimi potegi............................................................. 33 Slika 3.32: Vožnja vozila skozi ovinek ............................................................................... 34 Slika 3.33: Razmere pri vožnji skozi ovinek....................................................................... 34 Slika 3.34: Različni koti koles pri vožnji skozi ovinek ....................................................... 36 Slika 3.35: Pozitivna sprememba polmera vrvenice ........................................................... 39 Slika 3.36: Negativna sprememba polmera vrvenice .......................................................... 39 Slika 3.37: Model vrvenice s pozitivno in negativno spremembo radija ............................ 39 Slika 3.38: Vpetje kolesa na krmilni mehanizem................................................................ 40 Slika 3.39: Nastavitev predteka ........................................................................................... 40 Slika 3.40: Težave pri oblikovanju sprednjega dela vozila zaradi radija gonilke ............... 42 Slika 4.1: Objet EDEN 330 ................................................................................................. 43 Slika 4.2: Izmenljiv zadek vozila ........................................................................................ 44 Slika 4.3: Razrezana polovica karoserije............................................................................. 44 Slika 4.4: Model vozila v razmerju 1 : 10 ........................................................................... 45 Slika 4.5: Model vozila iz profila ........................................................................................ 45 Slika 4.6: Merilna konzola za namestitev vozila................................................................. 46 Slika 5.1: Območja treninga in vpliv treninga na telo......................................................... 49 Slika 5.2: Merilni sistem SRM ............................................................................................ 50 Slika 5.3: Določitev mesta največjega uklona..................................................................... 50 Slika 5.4: Namestitev uporovnih lističev na okvir vozila.................................................... 51 Slika 5.5: Merilni lističi, povezani v polni mostič............................................................... 51 Slika 5.6: Model vozila z regulacijo pomožnega motorja glede na obremenitve potnika... 54 Slika 5.7: Parametri obremenitve potnika ........................................................................... 55 Slika 5.8: Simulacijski model vozila z dodanim vplivom navora potnika .......................... 55 Slika 5.9: Simulacijski model motorja ................................................................................ 56 Slika 5.10: Navor na gonilki................................................................................................ 56 Slika 5.11: Obremenitev potnika 18 Nm............................................................................. 57 Slika 5.12: Obremenitev potnika 19,9 Nm.......................................................................... 57 Slika 6.1: Časovna razporeditev aktivnosti ......................................................................... 61

IX

Preglednice Preglednica 1.1: Poraba energije za transport ene osebe....................................................... 1

Preglednica 2.1: Primerjava konkurenčnih vozil................................................................... 4

Preglednica 3.1: Stroški primarnega pogona....................................................................... 12

Preglednica 3.2: Obrati motorja pri karakterističnih napetostih.......................................... 14

Preglednica 3.3: Parametri motorja ..................................................................................... 14

Preglednica 3.4: Parametri 4Q regulatorja .......................................................................... 15

Preglednica 3.5: Stroški pomožnega motorja ...................................................................... 16

Preglednica 3.6: Primerjava prednosti in slabosti menjalnikov Rohlloff in Shimano......... 18

Preglednica 3.7: Stroški pogonskih elementov.................................................................... 19

Preglednica 3.8: Stroški izdelave sprednje pogonske gredi ................................................ 20

Preglednica 3.9: Stroški izdelave zadnje pogonske gredi.................................................... 22

Preglednica 3.10: Stroški izdelave okvirja .......................................................................... 25

Preglednica 3.11: Stroški izdelave sedežev......................................................................... 27

Preglednica 3.12: Stroški izdelave vzmetenja ..................................................................... 29

Preglednica 3.13: Stroški izdelave koles ............................................................................. 31

Preglednica 3.14: Stroški zavor ........................................................................................... 32

Preglednica 3.15: Stroški krmilnega mehanizma ................................................................ 40

Preglednica 3.16: Parametri vozila...................................................................................... 41

Preglednica 3.17: Maksimalna hitrost vozila, odvisna od velikosti Cv po enačbi (3.37).... 42

Preglednica 4.1: Mehanske lastnosti materiala FullCure 700 ............................................ 43

Preglednica 4.2: Stroški izdelave modela vozila ................................................................. 46

Preglednica 5.1: Parametri vozila........................................................................................ 52

Preglednica 6.1: Urne postavke obdelovalnih postopkov ................................................... 58

Preglednica 6.2: Stroški izdelave komponent vozila........................................................... 59

Preglednica 6.3: Zbrani stroški projekta.............................................................................. 60

Preglednica 6.4: Primerjava stroškov vozil ......................................................................... 62

X

Uporabljene kratice 4Q – 4-kvadrantno delovanje

CPP – cestno-prometni predpisi

EHV – ekološko hibridno vozilo (razvojno ime za naše vozilo)

Cal/km – poraba kalorij na kilometer

3D – trirazsežen (v treh dimenzijah)

MKE – metoda končnih elementov

CNC – Computer Numerical Control (računalniško numerično krmiljenje)

Cv – količnik zračnega upora

LED – Light Emitting Diode

LCC – Life Cycle Costs (celotni stroški v življenjski dobi izdelka)

BLDC motor – enosmerni motor brez ščetk

CAN – industrijski komunikacijski standard (Controller Area Network)

STL – stereolitografski zapis datotek

CAD – Computer Aided Design - računalniško podprto konstruiranje

CAM – Computer Aided Manufacturing - računalniško podprta izdelava

CAE – Computer Aided Engineering - računalniško podprte inženirske analize

FERI - Diplomska naloga 1

1 Uvod

Na področju prevoza smo že nekaj desetletij na nekakšni mrtvi točki. Razvoj pri

bencinskih in dizelskih motorjih je pri povečanju moči in navora dosegel mejo mogočega,

pri zmanjšanju porabe pa strokovnjaki ne dosegajo velikih uspehov. Uspeh v zadnjih 30

letih se lahko zapiše zgolj v nekaj odstotkih. Po drugi strani se cene naftnih derivatov, ki

predstavljajo pogonsko sredstvo, iz dneva v dan višajo in dosegajo rekordne vrednosti,

maloprodajna cena bencina se je v 10 letih povišala za več kot 350 %. Vozila onesnažujejo

naše bivalno okolje z izpušnimi plini in hrupom. Zaradi razvoja filtrirnih naprav

(katalizatorjev in filtrov sajastih delcev) je količina škodljivih izpušnih plinov po

avtomobilu sicer manjša, vendar je porast števila vozil nesorazmeren v primerjavi z

izboljšavami. Naša država je ena izmed podpisnic Kjotskega sporazuma in ima težave z

zagotavljanjem določil, saj se je količina škodljivih plinov ( 2CO ) v zadnjih letih povečala

in ne obratno, kot določa sporazum, sankcije verjetno sledijo. Razvoj v smeri ekološko

sprejemljivih vozil je silno počasen, ta vozila pa so običajno zgolj nadgradnja obstoječih

vozil in cenovno nedostopna večjemu številu uporabnikov. V preglednici 1.1 vidimo

porabo energije za transport ene osebe na kilometer.

Preglednica 1.1: Poraba energije za transport ene osebe

Transport Cal/kmavto 1153

avtobus 570vlak 549hoja 62

kolesarjenje 22

Nastopil je čas za nova, poceni in ekološko sprejemljiva vozila, vozila, ki jih ne morejo

oziroma nočejo zagotoviti veliki proizvajalci vozil, saj bi to za njih pomenilo nižje

prihodke. Torej je na nas, da ohranimo čisto okolje in našo prihodnost. Odločili smo se za

razvoj vozila na hibridni pogon, ki bi lahko pomenilo revolucijo pri prevozih na krajše

razdalje.


1.1 Osnovne karakteristike

Pri mestni in primestni vožnji zaradi gostote prometa ni potrebe po doseganju velikih

hitrosti, pomembna pa je okretnost vozila in njegove dimenzije. Avtomobili pri vožnji

običajno niso polno zasedeni. Nesmiselno je torej razvijati vozilo za več potnikov, če

vemo, da bo 90 % časa v njem zgolj ena oziroma največ dve osebi. Vozilo je konstruirano

za prevoz dveh oseb, kar ustreza človekovi želji po druženju, socializaciji in ostalih

ugodnih faktorjih, obenem pa je zaradi tega idealno za razne daljše ekspedicije, kjer

opazujemo okolico, naravo in imamo čas razmišljati ali se pogovarjati s partnerjem. Vozilo

ima 3 kolesa – dve krmilni spredaj in pogonsko zadaj. Dve kolesi spredaj zagotavljata

večjo stabilnost pri zaviranju, pazljivo pa je potrebno izbrati položaj težišča, da pri

zaviranju ne pride do dvigovanja zadka vozila. Iz tega razloga je pomožni pogon z

akumulatorji nameščen v zadnjem delu vozila, težišča teles potnikov pa so približana

prednji osi. Pred prednjo osjo je pri prototipu brez karoserije zelo malo mase, predvidena

pa je varnostna cona z manjšim prtljažnim prostorom. Sama konstrukcija vozila je

zamišljena variabilno, tako da se na preprost način lahko nadgradi s povečanim prtljažnim

delom, ali pa prtljažni del zamenjamo z nastavki za prevoz otroških sedežev.

Velik korak naprej predstavlja hibridno vozilo na področju ohranjanja zdravja in

kondicije. Kot že pove ime, ima vozilo dvojni pogon. Primaren pogon je pogon z močjo

naših mišic. Pogon je izveden podobno kot na kolesu, gonimo oziroma vrtimo pedal.

Takšna oblika gibanja je dokazano najučinkovitejša in obenem najbolj podobna naravni

hoji človeka, na vozilu pa ne sedimo, kot na klasičnem kolesu, saj to pomeni v določenih

pogojih težave s hrbtenico (slika 1.1) in raznimi drugimi zdravstvenimi težavami, pač pa je

izbran ergonomičen sedeč položaj. Kot sekundaren oziroma pomožen pogon je izbran

elektromotor in energija iz akumulatorjev, kar trenutno predstavlja pogon z največjim

izkoristkom in ekološko najčistejši pogon, še posebej, če je elektrika za polnjenje

akumulatorjev pridobljena s pomočjo fotonapetostnih celic. Regulator vozila omogoča 4Q

delovanje, torej pogon naprej, nazaj in generatorsko delovanje pri vožnji naprej in nazaj,

tako da lahko presežek potencialne energije pri vožnji po hribu navzdol shranjujemo v

akumulatorje.

Poglavje zase je regulacija pomožnega električnega pogona. Kot je bilo že

omenjeno, je vozilo namenjeno prevozu oseb na krajše razdalje, razgibavanju, ohranjanju

kondicije in treningu.


Regulacijo pomožnega električnega pogona želimo izvesti preko merjenja pritisne sile na

pedala in na osnovi obremenitve potnikov regulirati pomoč elektromotorja. Vozilo lahko

tako po ravnini deluje kot klasično kolo, po hribu navzdol polni akumulatorje in pri vzponu

pomaga premagovati strmino. Silo merimo s pomočjo merilnih lističev na okvirju vozila, s

pomočjo potenciometra pa določimo prag obremenitve, kjer se vključi pomoč

elektromotorja.

Večina komponent vozila je izvedenih s standardnimi deli, kar pomeni cenejšo

izvedbo, daljše intervale med servisi in cenovno ugodne rezervne dele.

Zaradi zakonskih določil v CPP, ki zahtevajo za vozila na pomožni pogon, ki

razvijejo hitrost nad 25 km/h, registracijo, je hitrost vozila pri pogonu na pomožni pogon

elektronsko omejena na 25 km/h, tako da vozilo spada v kategorijo vozil s pomožnim

motorjem. Pri tej hitrosti smo v mestni gneči še vedno dovolj hitri, da ne oviramo prometa,

obenem pa lahko s primarnim, torej lastnim pogonom, razvijemo poljubno hitrost, seveda

odvisno od naše fizične pripravljenosti. V primeru, da želimo večjo hitrost, lahko hitrost

vozila dvignemo na 50 km/h, kar pomeni, da spada vozilo v razred koles z motorjem. V

tem primeru je zahtevano zavarovanje vozila in registracija.

Slika 1.1: Sključen položaj pri kolesarjenju lahko povzroči zdravstvene težave


2 Pregled stanja in primerjava s podobnimi izdelki

Pred razvojem vozila smo opravili določene analize trga in konkurence. Ugotovili smo, da

je na tržišču že nekaj podobnih vozil, na sejmih pa se pojavljajo vedno novi prototipi, kar

pomeni, da je razvoj na tem področju trenutno v velikem razmahu. Razlogi so z višanjem

cen goriv in pasivnostjo prebivalstva več kot očitni. Na osnovi obstoječih rešitev smo

optimirali naš izdelek in uporabili nekatere pristope konkurence.

V preglednici 2.1 je predstavljenih nekaj vozil prihodnosti, skupaj z njihovimi

karakteristikami, posebnostmi in primerjavo z EHV. Preglednica 2.1: Primerjava konkurenčnih vozil Twike

Vozilo na dvojni pogon švicarskega proizvajalca Twike. Prednosti pred našim izdelkom:

• razvije višjo hitrost (85 km/h), • dolgoletne izkušnje (od leta

1985), • homologacija v več državah.

Slabosti v primerjavi z EHV:

• visoka cena (17.000 €), • masa vozila (280 kg), • stabilnost v ovinkih, • potrebna registracija.

Slika 2.1: Twike


Arrow 45

Vozilo na električni pogon nemškega proizvajalca. Prednosti pred našim izdelkom:

• razvije višjo hitrost (45 km/h), • homologacija v več državah, • moderna oblika.


• masa vozila (200 kg), • potrebna registracija, • ni zaščite pred vremenskimi

vplivi, • krajša avtonomija, • trdo vzmetenje

Slika 2.2: Arrow 45

Natalia-Florence Maverick

Priznan ameriški proizvajalec triciklov na lasten pogon. Prednosti pred našim izdelkom:

• homologacija ni potrebna, • izkušnje pri proizvodnji.


• ni zaščite pred vremenskimi vplivi,

• ni dodatnega pogona, • visoka masa vozila.

Slika 2.3: Natalia-Florence Maverick

Hyson 3000

Demonstrator tehnologije pogona z gorivnimi celicami. Prednosti pred našim izdelkom:

• pogon na ''gorivo prihodnosti'' (gorivne celice),

• majhna poraba (nosilec rekorda).


• visoka cena, • potrebna registracija, • ni sekundarnega pogona, • prototipna izdelava.

Slika 2.4: Hyson 3000


2.1 Prednosti vozila

Razvoj podobnih vozil v svetu je trenutno zaradi znanih razlogov v strmem porastu, na

sejmih se redno pojavljajo prototipi, množično pojavo vozil na cesti pa lahko pričakujemo

tekom naslednjih nekaj let.

Če strnemo prednosti našega vozila pred konkurenco, potem so to:

• regulacija pogona preko meritve obremenitve,

• krmiljenje brez toge zveze,

• aerodinamična zaščita.

V diplomski nalogi je poudarek na prikazu problemov in rešitev za regulacijo pogona in

krmiljenje vozila.


3 Sestava vozila

Vozilo ima dve krmilni kolesi spredaj in pogonsko kolo zadaj. Krmiljenje je izvedeno z

bovdenskim potegom. Na sprednjih kolesih so hidravlične disk zavore, na zadnje kolo

zaviramo z regulatorjem. Vzmetenje je izvedeno s prečno postavljenima vzmetnima

nogama, ki sta vzmeteni z amortizerji od gorskih koles. Vzmetenje zadnjega kolesa je

povzeto po vzmetenju koles z motorjem.

Obstaja želja po razvoju pogona na vsa tri kolesa, bodisi s pomočjo diferencialov in

gredi za prenos bodisi s pomočjo tako imenovanih ''hub'' motorjev, torej pogonskih

elektromotorjev, nameščenih v pesto vozila. Najustreznejša rešitev pogona v tem primeru

je neposredno poganjanje električnega generatorja, nameščenega na mesto gonilk.

3.1 Komponente vozila Vozilo sestavljajo:

• pogon

Imamo dva sklopa pogona. Prvi je primarni, nožni pogon. Uporabljene komponente so

serijske komponente za pogon dvo-koles:

o gonilka z gonilnim ležajem.

Sekundarni električni pogon sestavljajo:

o akumulatorji,

o motor,

o regulator s povezovalnimi vodniki.

Te komponente so standardne, ali izdelane v sklopu drugih projektov (regulator).


• prenos moči

Za prenos moči smo izdelali gredi za prenos momentov na skupne verižnike in sklopko za

sklapljanje motorja na pogonsko gred:

o pogonski elementi z ustreznimi prestavnimi razmerji,

o sprednja pogonska gred s pogonskimi verižniki,

o zadnja pogonska gred,

o sklopka,

o ležaji gredi na okvirju vozila.

• podvozje

Podvozje sestavljajo naslednje komponente:

o okvir vozila,

o sedeža,

o vzmetenje,

o kolesa,

o zavore,

o krmiljenje koles.

• karoserija

Karoserija vozila ima dvojno vlogo, in sicer ščiti pred vremenskimi vplivi ter povečuje

aerodinamiko vozila. Pri izbiri oblike smo bili omejeni z obliko vozila in ergonomijo v

vozilu samem, obenem pa smo skušali obdržati ugodno linijo za čim nižji koeficient

zračnega upora. Izbira ustreznega materiala še ni končana, na voljo je več rešitev, vsaka z

nekaj prednostmi in slabostmi pred drugo. Najpreprostejša rešitev je platnena na nekakšni

šotorski konstrukciji, tehnološko najbolj dovršena pa vključuje uporabo vlaknastih

materialov (steklena oziroma ogljikova vlakna) in aerodinamično oblikovano pleksi steklo.

Izdelava karoserije ni predmet diplomskega dela.

Signalizacija za prototip ni izvedena. V fazah prehoda vozila na javne ceste bo

izvedeno modeliranje in izdelava žarometov po metodi hitre izdelave prototipov, za

smerokaze in luči na zadnjem delu vozila pa je v pripravi luč z LED tehnologijo, ki jo

odlikuje majhna poraba in visok izkoristek proti klasičnim žarnicam z žarilno nitko.


3.2 Modeliranje in izdelava

Pri razvoju vozila smo uporabili podoben pristop, kot ga zadnjih 20 let uporabljajo vsa

večja podjetja v avtomobilski industriji, zadnja leta pa tudi vedno več podjetij iz drugih

industrijskih panog. Posamezne komponente in sklopi so najprej nastajali kot ideje in

grobe skice, iz papirja pa smo ideje prenesli v 3D svet računalniško podprtega

konstruiranja in izdelave (CAD - CAM).

Posamezne komponente in sklope vozila smo modelirali v programskem paketu

Catia.

3.2.1 Opis programskega paketa Catia

CATIA je trenutno vodilni svetovni integrirani CAD/CAM/CAE programski paket.

Najbolje je zastopan v avtomobilski in letalski industriji, kjer ga uporabljajo največje in

najbolj znane svetovne korporacije in njihovi dobavitelji. Razen v velikih podjetjih, se

Catia uporablja tudi v številnih manjših družbah.

Programski paket Catia je razvilo francosko letalsko podjetje Dassault Aviation, za

lastne potrebe konstrukcije in proizvodnje. Na tržišču je prisotna od začetka osemdesetih

let, ko je bilo osnovano podjetje Dassault Systems, ki se od leta 1981 ukvarja s

proizvodnjo oziroma razvojem programske opreme. Po nekaj verzijah in letih razvoja je

leta 1999 Catia prešla iz UNIX delovnih postaj na Windows PC platformo in postala

dostopnejša širšemu krogu uporabnikov. Catia V5 nudi celovito podporo v vseh fazah od

konstruiranja in konstrukcijskih analiz do proizvodnje.

Kot vsi sodobni paketi za konstruiranje z računalnikov je tudi CATIA parametrično

zasnovana, kar pomeni, da se vsaka sprememba v posamezni fazi avtomatsko odraža na

vseh vidikih programskega paketa (sestav, analize, tehniška dokumentacija).

Posebno zanimiv je modul za ergonomijo, ki smo ji v našem projektu posvetili

veliko časa, saj je ergonomija v vozilu ključnega pomena za udobno in naravno počutje ter

s tem za konstrukcijo karoserijskih delov. V ta namen smo uporabili modul za ergonomsko

oblikovanje in analizo (Ergonomics Design and Analysis), ki omogoča, da v model

vključimo lutke z lastnostmi in parametri ljudi (slika 3.1). Modul ima možnost določitve

povprečnih mer za ljudi različnih ras in zajetje poljubnega odstotka telesnih lastnosti

celotne populacije.


Podrobno lahko določimo parametre telesa, kot so masa, telesna višina, dolžina udov in

posamezni koti le-teh v modelu, določimo lahko vidni kot oseb in na osnovi tega razvijemo

model z ustreznim delovnim prostorom in ugodno namestitvijo uporabniških vmesnikov.

Uporabljali smo študentsko licenčno različico Catia V5 R14, ki je na voljo na

Fakulteti za strojništvo.

Slika 3.1: Uporabniški vmesnik programskega paketa Catia V5


3.3 Pogon

Bistvo vozila je v hibridnem (dvojnem) pogonu (slika 3.2).

Slika 3.2: Izvedba pogona vozila

gonilka z gonilnim ležajem

Primarni, torej nožni pogon je speljan preko gonilke gorskega kolesa z 42 zobmi na skupno pogonsko gred. Gonilka je vpeta na koncu okvirja vozila v gonilni ležaj znamke Shimano (slika 3.3). Ležišče gonilnega ležaja je izdelano po naročilu.

Slika 3.3: Pogon preko pedal in gonilke


Preglednica 3.1: Stroški primarnega pogona

Material Postopek

Element Vrsta Količina Cena (SIT) Vrsta Čas Cena

(SIT) gonilni ležaj / / 2.800 / / /

gonilka / / 3.000 / / / pedala / / 1.500 / / /

rezanje 0,2 400 struženje 2 7.200 vpetje gonilnega ležaja jeklena

cev 500 mm 700 varjenje 0,2 600

Skupna cena 16.200 SIT

akumulatorji Akumulatorji so trenutno najšibkejša točka vsakega električnega vozila. V primerjavi s

klasičnimi prevoznimi sredstvi imajo zelo nizko razmerje med kapaciteto energije, maso in

volumnom, obenem pa dolge čase polnjenja. Že nekaj let čakamo na prihod tako

imenovanih super akumulatorjev oziroma super kondenzatorjev, ki bodo imeli večjo

kapaciteto ob manjši masi in sposobnost hitrejšega polnjenja (polnjenje na nazivno

kapaciteto v nekaj minutah).

Pri vozilu smo uporabili akumulatorje podjetja Vesna tipa Energy, ki jih odlikuje

zaprta konstrukcija, kar pomeni, da nimajo vzdrževanja in imajo namesto klasičnega

elektrolita elektrolit v obliki gela. Akumulatorje lahko uporabljamo v poljubnem položaju,

saj so elektrode v akumulatorju ves čas v elektrolitu.

Uporabljeni akumulatorji Energy 27 (slika 3.4) imajo kapacitivnost 27 Ah pri

nazivni napetosti 12 V, maso 8,95 kg in zunanje mere 175 × 125 × 166 mm. Uporabili smo

3 akumulatorje, vezane zaporedno (36 V).


Slika 3.4: Akumulator Vesna Energy

motor PMSM 1.5 kW Motor je tipa BLDC, kar pomeni enosmerni elektromotor brez ščetk in izdelek podjetja

Iskra avtoelektrika. Motor lahko razvije 1,5 kW moči, okrog 6 Nm navora in ima

izkoristek okrog 85 % [8]. Motor ni serijski izdelek, tako da točnih podatkov trenutno še ni

na voljo. Maksimalna hitrost brez slabljenja polja je odvisna od napetosti na enosmerni

zbiralki. Odvisnost hitrosti od napetosti prikazujeta slika 3.5 in preglednica 3.2.

max DC46.4211 Un ≈ ⋅

24 25 30 35 36 40 451120

1200

1300

1400

1500

1600

16701700

1800

1900

2000

2100

2200

Udc [V]

n [rp

m]

Slika 3.5: Karakteristika maksimalnih vrtljajev v odvisnosti od napajalne napetosti


Preglednica 2.2: Obrati motorja pri karakterističnih napetostih

Napetost na enosmerni zbiralki Udc [V] Maksimalna hitrost

[obr/min]

24 1120

36 1670

42 1948

47.5 2205

Električni parametri motorja so pridobljeni na osnovi aproksimacije izmerjenega

stopničnega odziva toka na stopnično napetostno vzbujanja Ua=1.3066 V. Izmerjeni

parametri (preglednica 3.3) vsebujejo poleg parametrov motorja tudi serijske upornosti

priključkov, povezav in upornosti tudi upornosti stikalnih elementov, zato so parametri

navidezni, kot jih čuti regulator.

Preglednica 3.3: Parametri motorja

Parameter Vrednost

statorska upornost Rs [Ω] 0.0985

statorska induktivnost Ls [mH] 0.1703

amplituda rotorskega magnetnega sklepa ψPM (Vs) 0.0189

število polovih parov p 6

regulator

Regulator je pripravljen za priključno napetost 36 ali 48 V in lahko deluje v 4 kvadrantnem

režimu delovanja. Na preprost način lahko elektromotor deluje naprej in nazaj kot motor

ter naprej in nazaj kot generator. To je izrednega pomena pri sodobnih vozilih na

elektromotorni pogon, saj lahko del energije pri vožnji navzdol ali zaviranju koristno

uporabimo in shranimo v akumulatorje oziroma kondenzatorje. Parametri regulatorja so

podani v preglednici 3.4. Regulator (slika 3.6) je izdelala skupina študentov v sklopu

projekta na interdisciplinarni smeri Mehatronika.


Preglednica 3.4: Parametri 4Q regulatorja

Parameter Vrednost

tip regulatorja regulator za BLDC motorje

temperatura delovanja -25 do + 40 °C

hlajenje hladilnik, opcija 2 dodatna ventilatorja

faze 3

nosilna frekvenca 10 kHz simetrično preklapljanje

napajalna napetost 24 do 60 V dimenzioniran za 4 akumulatorje

delovanje 4 kvadrantno

nazivni napajalni tok 40 A (60 A)

maksimalen izhodni tok 50 A (75 A)

komunikacija RS-232, RS-485, CAN

zaščite

tokovna omejitev, temperaturna omejitev,

omejitev ob padcu napetosti, omejitev

maksimalne izhodne moči

cena razvojnega modela 350.000 SIT

Slika 3.6: 4Q regulator BLDC motorja


Preglednica 3.5: Stroški pomožnega motorja

Material Postopek


(SIT) akumulatorji / / 33.000 / / /

motor / / 24.000 / / / regulator / / 350.000 / / /

razrez 0,5 1.000 vrtanje 0,5 1.800 varjenje 0,5 1.500 nosilec motorja ploščato

jeklo 0,5 m 300

barvanje 0,2 400 razrez 0,5 1.000 vrtanje 0,5 1.800 varjenje 0,5 1.500 nosilec regulatorja ploščato

jeklo 0,5 m 300

barvanje 0,3 600 razrez 1 2.000 vrtanje 1 3.600 varjenje 1 3.000 nosilec akumulatorjev ploščato

jeklo 2 m 1.200

barvanje 0,6 1.200 Skupna cena 428.200 SIT


3.4 Prenos moči

pogonski elementi z ustreznimi prestavnimi razmerji

Voznik in sovoznik imata na pogonski gredi nameščeni enosmerni sklopki, ki omogočata

prosti tek gonilke. Vsaka enosmerna sklopka ima 16 zob, kar pomeni prestavno razmerje

med gonilko in sprednjo gredjo 2,625 : 1. Na sredino gredi je nameščen nosilec verižnikov

(spider). Verižniki so prevzeti iz gorskega kolesa, in sicer najmanjši (22 zob), srednji (32

zob) in največji (44 zob). Pogon je zaradi preprostejše izvedbe izveden na zadnje kolo.

Za dosego želenih prestavnih razmerij smo proučili dve varianti menjalnikov. Prva

izbira je bil sistem Rohlloff, ki v pestu kolesa združuje menjalnik s planetnimi gonili in 14

prestavami, ki pokrijejo celotno območje hitrosti, potrebne za kolesarja. Zaradi visoke cene

sistema smo se odločili za preizkušeno rešitev s klasičnimi menjalniki gorskih koles

proizvajalca Shimano. Primerjava prestavnih razmerij obeh rešitev je podana na sliki 3.7,

prednosti in slabosti rešitev pa v preglednici 3.6.

primerjava Shimano - Rohloff

00,5

11,5

22,5

33,5

44,5

0 2 4 6 8 10 12 14 16

prestava

razm

erje 22 zob

32 zob44 zobRohloff

Slika 3.7: Primerjava prestavnih razmerij


Preglednica 3.6: Primerjava prednosti in slabosti menjalnikov Rohlloff in Shimano

Shimano Rohlloff

+ nizka cena

+ dostopnost

+ manjši volumen sistema

+ manj komponent

+ cenejše dodatne komponente

+ robustnost

- dva menjalnika

- več komponent

- ni robusten na višje navore

- cena vrhunskih komponent preseže

ceno Rohlloffa

- sinhronizacija dveh menjalnikov

- cena

- nedostopnost komponent

Pri izbiri ustreznih prestavnih razmerij smo upoštevali maso vozila in želen razpon hitrosti.

Ugotovljeno je bilo, da je ugodna izbira prestavnega razmerja enaka, kot prestavno

razmerje na gorskih kolesih. Tako imamo ob kadenci (hitrost vrtenja pedal) med 60 in 110

obratov na minuto pokrit teoretični razpon hitrosti od 4,81 km/h do 51,3 km/h. Uporabljene

komponente gorskih koles (slika 3.8) lahko prenašajo navore do 200 Nm. Težave lahko

nastanejo pri izbrani verigi, na katero deluje dvoje navorov oziroma sil. Žal proizvajalec ne

ponuja verig, ki bi prenesle večje obremenitve, tako da je potrebno verigo nekoliko

pogosteje izmenjevati, se pa enak tip verig uporablja tudi na tandemih [7].

Prenos od motorja do pogonske gredi je preko zadnje gredi izveden z verigami

koles z motorjem (slika 3.9), ki so cenovno ugodne in lahko trajno prenašajo proizvedene

sile. Med motorjem in kolesom ni menjalnika, ampak samo prestava v razmerju 1 : 7,15.

Prestava med zadnjo gredjo in kolesom je 1 : 2,46, kar obenem pomeni, da je prestavno

razmerje primarnega pogona primerljivo s prestavnim razmerjem pogona pri gorskih

kolesih. Za izvedbo brez menjalnika smo se odločili zaradi ugodnega navora (na zadnjem

kolesu imamo okrog 42 Nm navora) in ozke pogonske rabe motorja (med 0 in 25 km/h).

Izbrano prestavno razmerje omogoča zaviranje z motorjem od hitrosti 50 km/h, ker je

preračunana inducirana napetost na sponkah motorja 62 V, kar močnostni del regulatorja

še lahko prenese.


Slika 3.8: Pogonski sklopi Shimano Alivio

Slika 3.9: Izvedba pogona pogonskega kolesa

Preglednica 3.7: Stroški pogonskih elementov

Material Postopek


(SIT) prestavne ročice / / 13.000 / / /

sprednji menjalnik / / 4.500 / / / zadnji menjalnik / / 7.800 / / /

8-redni verižniki z enosmerno sklopko / / 10.500 / / /

veriga kolesa / / 9.000 / / / veriga kolesa z motorjem / / 7.000 / / /

verižniki kolesa z motorjem / / 8.500 / / /



sprednja pogonska gred s pogonskimi verižniki

Sprednja pogonska gred povezuje prenose obeh potnikov in preko nosilca verižnikov

prenaša silo naprej na verigo (slika 3.10). Obremenitev gredi je z upogibom in vrtilnim

momentom, vsaka polovica pa prenaša vrtilni moment enega potnika.

Izračun obremenitve in dimenzioniranje sprednje pogonske gredi [2, 3]: maksimalna torzijska obremenitev gredi:

NmmN

lFT 5,227

175,01300

=== . (3.1)

Standardna dimenzija cevi, uporabljene za gred: D = 20 d = 14. Preračun napetosti:

1193*16

44

=−

=D

dDWpπ mm³, (3.2)

MPamm

NmmWT

p

1901193

10*5,2273

3

===τ , (3.3)

kar je v mejah dopustne napetosti jekla. Sprednja gred je razstavljiva, tako da jo lahko v primeru menjave ležajev brez večjih težav razstavimo. Razstavljiv spoj je v nosilcu verižnikov izveden s šesterokotnim profilom in ustrezno izvrtino. Gred je vodena z ležaji tipa Y in ohišjem ležaja iz stiskane pločevine. Preglednica 3.8: Stroški izdelave sprednje pogonske gredi

Material Postopek


(SIT) ležišče enosmerne

sklopke jeklena palica 300 mm 1.500 struženje 4 14.400

rezkanje 2 14.400 nosilec verižnikov jeklena

palica 50 mm 2.000 struženje 2 7.200

ležaji Y z ležišči / / 10.000 / / / rezanje 0,5 1.000 rezkanje 1 3.600 nosilci ležajev

jeklen pravokotni

profil

1000 mm 2.700

varjenje 0,5 1.500 Skupna cena 58.300 SIT


Slika 3.10: Sprednja pogonska gred z menjalnikom

zadnja pogonska gred

Zadnja pogonska gred (slika 3.11 in 3.12) je vezni člen med primarnim in pomožnim

pogonom. Pomožni pogon, torej elektromotor, je v začasni rešitvi trajno sklopljen s

pogonskim kolesom preko dveh verižnih pogonskih sklopov, ki sta potrebna, da dobimo

ustrezno prestavno razmerje med motorjem in pogonskim kolesom. Primarni pogon pa je

preko 8-redne kasete verižnikov in enosmerne sklopke sklopljen na zadnjo pogonsko gred.

Slika 3.11: Zadnja pogonska gred


Slika 3.12: Zadnja pogonska gred

Preglednica 3.9: Stroški izdelave zadnje pogonske gredi

Material Postopek


(SIT)

inkrementalni dajalnik nerjaveča jeklena

pločevina 0,01 m² 1.000 laserski

razrez 1,5 10.800

nosilec verižnika jeklena palica 150 mm 2.300 struženje 2 7.200

struženje 1 7.200 ležišče enosmerne sklopke

jeklena palica 50 mm 700

rezkanje 3 10.800

rezkanje 0,5 1.800 nosilec enosmerne sklopke

jeklena palica 100 mm 1.500

struženje 0,5 3.600 ležaji Y z ležišči / / 7.500 / / /

rezanje 0,5 1.000 rezkanje 1 3.600 nosilci ležajev

jeklen pravokotni

profil

1000 mm 2.700

varjenje 0,5 1.500 Skupna cena 63.200 SIT


sklopka

Med vožnjo na primarni pogon, ko bodisi ne želimo pomoči motorja bodisi obremenitev ni

dovolj velika, da bi se motor vključil, ne želimo ves čas poganjati motorja. Vrtenje

motorja, ko le-ta ni aktiven, pomeni premagovanje trenj v motorju in prenosu. Rešitev je v

namestitvi torne sklopke, ki mora zagotoviti dvosmerno delovanje, enosmerna sklopka

onemogoči pridobivanje energije ob vožnji po hribu navzdol. Model sklopke je konusne

oblike, zaradi manjših sil, ki so potrebne za sklopitev. Za vrnitev v prvotni položaj oziroma

odmaknitev sklopke skrbi vijačna vzmet. Izbrani material distributerja Feroda je torni

material brez azbesta na jekleni mreži BRMS-5504, ki ima ugodne lastnosti in

karakteristiko za naš namen uporabe. Sklopko moramo voditi elektronsko, vklopi in

izklopi jo regulator, kar deluje tudi kot zaščita pred preobremenitvijo motorja in

regulatorja, saj bi se v primeru prehitre vožnje po hribu navzdol ob vklopu motorja

inducirala na sponkah prevelika napetost, kar bi pripeljalo do uničenja močnostnih

elementov regulatorja. Tako pa lahko določimo hitrost, do katere motor še lahko sklopimo

z ostalim pogonskim sestavom. Na gredi je nameščen tudi inkrementalni dajalnik (na sliki

zelene barve) s 60 utori, ki služi za merjenje hitrosti vrtenja zadnje gredi, posledično pa

tudi hitrosti vozila. Zadnja pogonska gred s sklopko je prikazana na sliki 3.13, pri prototipu

pa ni bila realizirana zaradi zahtevne izdelave. Prototip ima motor trajno sklopljen na

pogonsko gred.

Slika 3.13: Zadnja pogonska gred s sklopko


ležaji gredi na okvirju vozila

Na prototipu je uporabljena pritrditev ležajev z objemnimi sponkami (slika 3.15) ali s

pomočjo nosilcev ležajev. V primeru pritrditve z objemkami imamo možnost spreminjanja

pozicije ležaja na okvirju na preprost način brez rezanja in varjenja. Izbrani ležaji so

posebne izvedbe proizvajalca SKF [9]. Y serija ležajev so kroglični ležaji s sferično

zunanjo obliko, kar skupaj s posebno izvedbo ohišja ležaja (slika 3.14) omogoča določena

kotna odstopanja in zamaknitev pri montaži ležaja. Ohišja ležajev so poceni in iz različnih

materialov (vlečena pločevina, umetne mase...), kar omogoča širok spekter uporabe,

posebej primerni so za prototipe. Uporabljeni so kovinsko zaprti ležaji, pri katerih ni trenja

med tesnilnimi pokrovi in obročem, vendar pa ti ležaji slabše tesnijo, kar lahko pripelje do

vdora vlage.

Slika 3.14: Ležišče ležaja

Slika 3.15: Pritrditev ležaja z objemkami


3.5 Podvozje

okvir

Okvir na sliki 3.16 predstavlja nosilno ogrodje vozila. Karoserija ni samonosna, zato so vse

komponente pritrjene na okvir vozila. Pri izbiri materiala ni veliko možnosti, po dokaj

ugodni ceni sta na voljo jeklo in aluminij. Zaradi prototipne izdelave smo izbrali jeklo

(slika 3.17), ki omogoča preprostejšo obdelavo, omogoča preprosto spreminjanje

konstrukcije in premeščanje elementov, se ne stara, ima pa veliko večjo maso kot aluminij

(3-krat).

Dimenzije okvirja so prilagojene odrasli osebi, zgornji del okvirja pa služi kot

zaščitni lok v primeru prevračanja vozila. Ustreznost izbranih dimenzij smo preverili z

metodo MKE v sklopu programskega paketa Catia. Okvir je izdelan iz enega kosa, na

stroju za krivljenje cevi. Površinska zaščita pa je izvedena z zaščitnim lakom črne barve.

Slika 3.16: Model okvirja

Slika 3.17: Izdelan in pobarvan okvir vozila

Preglednica 3.10: Stroški izdelave okvirja

Material Postopek


(SIT) krivljenje 2 14.400

varjenje 2 6.000 okvir jeklena cev 5 m 8.000

barvanje 1 2.000 Skupna cena 30.400 SIT


sedeža

Sedeža morata zagotavljati udobno sedenje, zadovoljivo bočno oporo in trdnost pri

pritiskanju na pedala. Pri telesni aktivnosti se človek poti, kar je treba upoštevati pri izbiri

materiala, ki je v stiku s kožo oziroma oblačilom. Okvir sedeža (slika 3.20) je iz jeklene

cevi, ukrivljene s strojem za krivljenje cevi. V sodelovanju s tekstilnim oddelkom na

Fakulteti za strojništvo smo za oporni del izbrali trpežen in zračen material, na okvir vozila

pritrjen z vrvico. Na spodnji strani sedeža je konzola za vpetje na okvir, s katero lahko

premikamo sedež po okvirju in tako prilagajamo razdaljo med sedežem in pedalom za

osebe različnih velikosti oziroma dolžin nog. Konzola sedeža je preverjena po metodi

MKE (slika 3.18 in 3.19) in zagotavlja dovolj veliko trdnost ob povečanem udobju za

odraslo osebo do 85 kg, katere potisna sila ni večja od 100 kg. Prilagoditev glede na

velikost potnika je preprosta – odvije se hitro zapiralo nosilca in sedež lahko prosto

premikamo naprej in nazaj po okvirju.

Slika 3.18: Upogib nosilca

Slika 3.19: Napetosti v nosilcu


Slika 3.20: Sedež z nosilcem Preglednica 3.11: Stroški izdelave sedežev

Material Postopek


(SIT) laserski razrez 4 28.800

krivljenje 1 7.200 varjenje 1 3.000

nosilec okvirja sedeža jeklena

pločevina 3mm

0,6 m² 2.500

vrtanje 1,5 5.400 krivljenje 2 14.400

okvir sedeža jeklena cev 10 m 6.000

varjenje 2 6.000

rezkanje 3 10.800 pritrditev na okvir vozila aluminij 3 kg 3.300

vrtanje 2 7.200 rezanje 2 4.000 šivanje 2 6.000 platno z nosilnimi

vrvicami platno 3 m² 12.000 namestitev 4 4.000



vzmetenje

Stabilnost vozila je odvisna od izvedbe vzmetenja. Prednje vzmetenje je sestavljeno iz

majhnega števila komponent, obenem pa zagotavlja stabilnost in udobje za potnike. Vsako

kolo je vpeto na nosilec, ki se vrti okrog nasprotnega kraka okvirja (sliki 3.21 in 3.22). S

tem smo povečali radij, okrog katerega se kolo vrti, kar je ugodno, saj ne želimo pretiranih

sprememb kotov koles pri delovanju amortizerja. Kot med tlemi in okvirjem je na mestu

vpetja 30 °, kar je ugodno ob naletu na oviro in ob vožnji naprej (slika 3.23). Na sprednjem

vzmetenju so uporabljeni amortizerji gorskih koles, ki pa imajo vzmet trdnosti 115 N/mm,

kar je za naše vozilo preveč, če želimo udobje med vožnjo. Težavo rešimo z menjavo

vzmeti oziroma menjavo amortizerja na vzmet z amortizerjem na zrak, kjer trdoto

nastavljamo z zračnim pritiskom v amortizerju.

Zadnje vzmetenje je rešeno na klasičen način, podobno kot na večini današnjih

motociklov (slika 3.24). Uporabljeni so amortizerji kolesa z motorjem, ki so cenovno

ugodni in zadovoljivo opravljajo svojo funkcijo.

Slika 3.21: Nosilec kolesa

Slika 3.22: Sprednje vzmetenje


Slika 3.23: Ugoden kot sprednjega vzmetenja za neravnine

Slika 3.24: Klasične vilice zadnjega vzmetenja

Preglednica 3.12: Stroški izdelave vzmetenja

Material Postopek


(SIT) razrez 0,4 800 plastična vtičnica Koterm 0,6 m 2.500 struženje 1 7.200 razrez 0,4 800 vtičnica za os vrtenja

sprednjega vzmetenja jeklena

cev 0,6 m 2.000 struženje 1 3.600

razrez 0,2 400 krivljenje 0,5 3.600 rezkanje 0,5 1.800 varjenje 0,5 1.500

vzmetni roki jeklena cev 4 m 7.000

barvanje 0,3 600 laserski razrez 1,5 10.800 nosilci za pritrditev

amortizerja jeklena

pločevina 3 kg 1.500 vrtanje 1 3.600

zadnja amortizerja / / 9.000 / / / sprednja amortizerja / / 10.500 / / /

jeklene spojke / 8 5.000 / / / razrez 0,5 1.000

rezkanje 1 3.600 zadnje nosilne vilice pravokotni

jeklen profil

3 m 2.500 varjenje 1 3.000 razrez 0,1 200

rezkanje 0,5 1.800 vpetje zadnjega kolesa

ploščato jeklo 0,3 m 500

vrtanje 0,5 1.800 razrez 0,1 200

struženje 1 3.600 nosilni osi zadnjega vzmetenja

jeklena palica 0,25 m 800

rezkanje 1 3.600 Skupna cena 94.800 SIT


kolesa

Zaradi kompatibilnosti so vsa kolesa enake velikosti, izbrana velikost 26'' je standardna

velikost za gorska kolesa. Premer kolesa je 66 cm in je nekoliko odvisen tudi od izbrane

dimenzije gum. Velik premer kolesa pomeni manjšo občutljivost na neravnine, večjo

vztrajnost in obenem nižje prestavno razmerje med motorjem in kolesom.

Dvostenski obroči Mavic in napere DT Swiss dimenzije 2 mm so namenjeni

zahtevnejši gorsko kolesarski vožnji, kar v našem primeru pomeni močnejši obroč, ki mora

vzdržati večje obremenitve, saj imamo na tri kolesa razporejeno maso dveh potnikov in

vozila. Da bi prenesli večje obremenitve, je povečan premer pesta na 120 mm, kar pomeni

krajše napere in možnost večjih prečnih obremenitev kolesa. Pesta so lastne izdelave, saj

sta sprednji kolesi vpeti konzolno (slika 3.25 in 3.27). Podoben sistem ima tudi

proizvajalec gorskih koles Cannondale, vendar njihove peste niso primerne za

obremenitve, ki nastopajo pri našem vozilu. Pesto je sestavljeno iz aluminijaste sredice, na

katero sta na vsaki strani privijačena jeklena koluta debeline 3 mm za pritrditev naper

(slika 3.26), ki sta optimirana na čim nižjo maso. Ležaji so standardni industrijski, notranji

6005 in zunanji 6002. Zaščita pred odvitjem je izvedena z matico s plastičnim vložkom.

Os vrtenja kolesa pri zavijanju je izven kolesa, kar pomeni večje sile pri zavijanju.

Pri obstoječi rešitvi se ta problem ni dal rešiti na preprost oziroma estetski način, v razvoju

je pesto, ki bo omogočalo vrtenje okoli osi kolesa (slika 3.28).

Slika 3.25: Pesto vozila

Slika 3.26: Pesto v prerezu


Slika 3.27: Kolo vozila

Slika 3.28: Pesto iz aluminija

Preglednica 3.13: Stroški izdelave koles

Material Postopek


(SIT) ležaji / 4 3.600 / / /

struženje 2 14.400 sredina peste aluminij 2 kg 2.200

vrtanje 2 7.200 laserski razrez 2 14.400

rotorji peste jeklena pločevina 0,7 m² 2.500

vrtanje 1 3.600 struženje 3 10.800 distančnik za rotor

zavore aluminij 1 kg 1.100 vrtanje 2 7.200 vijaki / / 1.500 / / / obroči / / 27.000 / / / napere / / 6.000 / / /

centriranje koles / / 15.000 / / / Skupna cena 116.500 SIT


zavore

Zavore na sprednjih kolesih so kolutne znamke Hayes HFX-9 (slika 3.30). Premer koluta

je 160 mm, za povezavo leve in desne zavore pa je izdelan y delilnik (slika 3.29). Zavora

na zadnje kolo je izvedena s pomočjo pomožnega pogona, ki v primeru zaviranja polni

akumulatorje.

Slika 3.29: Preprost y delilnik za hidravlično zavoro

Slika 3.30: Hayes HFX-9

Preglednica 3.14: Stroški zavor

Material Postopek


(SIT) zavore Hayes / / 60.000 / / /

razrez 0,5 1.000

y razdelilec aluminij 0,05 kg 55 vrtanje in rezanje navojev

1,5 5.400



3.5.1 Krmiljenje koles

S problemi krmilnih mehanizmov se srečajo vsi konstruktorji vozil. Pri vožnji vozila skozi

ovinek notranje kolo opravi krajšo pot, kot zunanje (slika 3.32), kar pomeni, da moramo

notranje kolo zasukati za večji kot kot zunanje, če želimo ohraniti stabilnost vozila [1].

Znana rešitev je sicer sistem z nihajnim drogom, ki pa z manjšanjem radia povečuje

nestabilnost vozila, zato jo redko uporabljamo. V sodobnih avtomobilih je največkrat

uporabljen Ackermannov krmilni mehanizem, ki sicer ne omogoča idealne poti vozila, je

pa mehanizem preprost in zadovoljivo krmari kolesa. Zaradi fiksnih dolžin drogov in toge

izvedbe pa ta mehanizem za naše vozilo ni primeren, zato smo krmiljenje izvedli z

bovdenskimi potegi (slika 3.31). Za odpravo težave z različnimi radiji smo skonstruirali

posebna vodila, ki odpravljajo težavo z različnimi koti koles, obenem pa krmilijo vozilo po

idealni poti.

Slika 3.31: Krmiljenje koles z bovdenskimi potegi


Slika 3.32: Vožnja vozila skozi ovinek Pri konstruiranju oblike vodil, ki odpravijo težavo z različnimi koti koles v vožnji skozi ovinek, izhajamo iz slike 3.33.

Slika 3.33: Razmere pri vožnji skozi ovinek


Iz slike 3.33 vidimo, da je kot:

ARtg =γ , (3.4)

kjer je R radij opisanega kroga in A medosna razdalja. Po Pitagorovem izreku

222 RAX += , (3.5) iz podobnih trikotnikov sledi

2222 RRAY −+= , (3.6) torej

AY = . (3.7) Na sliki je:

ARarctg22 −=−= πγπα , (3.8)

)2sin(sin γπα −= . (3.9)

Upoštevamo adicijski teorem:

βαβαβα sincoscossin)sin( ⋅−⋅=− , (3.10) iz česa sledi

γπγπα 2sincos2cossinsin ⋅−⋅= . (3.11) Ker je

0sin =π , (3.12) 1cos =π , (3.13)

dobimo

γα 2sinsin = . (3.14) Sinus dvojnega kota zapišemo kot:

γγγ cossin22sin = , (3.15)

ob upoštevanju XR

=γsin , XA

=γcos in enačbe (3.5) dobimo


222

22cossin2sinAR

RAXRA

+=== γγα . (3.16)

Če enačbo rešimo za R, dobimo kvadratno enačbo:

)(sin22sin 2222 ARRA

ARRA

+=⇒+

= αα , (3.17)

RAAR 2sinsin 22 =+ αα , (3.18)

0sin2sin 22 =+− ARAR αα . (3.19)

Diskriminanta enačbe po nastavku acbD 42 −= je v našem primeru:

ααα 2222222 cos4)sin1(4sin44 AAAAD =−=−= , (3.20)

αα

αα

sin)cos1(

sin2cos22

2,1±

=±

=AAAR . (3.21)

Rešitev za interval od 0 ° do 90 ° je:

)cos1(sin

αα

+=AR . (3.22)

Slika 3.34: Različni koti koles pri vožnji skozi ovinek Za srednji radij velja:

22

2sinAR

RA+

=α . (3.23)


S tem smo dobili kot kolesa pri medosni razdalji A in radiu ovinka R. Zaradi širine vozila, torej razdalje med krmilnima kolesoma imamo različen zasuk zunanjega in notranjega kolesa pri vožnji skozi ovinek z radiem R. Zunanji radij pri razdalji med krmilnima kolesoma B in radiu opisanega kroga sredine vozila R je:

ZZARAR

ABR

ABR

zunanji

zunanji arcsin)(

)(2

)2

(

)2

(2sin 122

221 =⇒=

+=

++

+= αα (3.24)

in notranji radij:

NNARAR

ABR

ABR

notranji

notranji arcsin)(

)(2

)2

(

)2

(2sin 222

222 =⇒=

+=

+−

−= αα . (3.25)

Pri premiku krmilne vrvenice za kot α se vrv premakne za dolžino loka α)⋅= rl . Ker je vrv toga, se nastavna jermenica zavrti za enako dolžino α)⋅r , ki bo enaka razdalji 11 α)⋅r , pri čemer 1r ni konstanten. Sledi:

2211 ααα ))) ⋅=⋅=⋅ rrr , (3.26) kjer 1r in 2r nista konstantna, zanima nas odvisnost 1r in 2r od kota α . Ob upoštevanju enačbe 3.8 dobimo:

AR

arctg zunanji21 −=πα (3.27)

in

AR

arctg notranji22 −=πα . (3.28)

Za primer vožnje skozi desni ovinek lahko zapišemo:

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

⋅−

⋅−=

⋅=⇒=

AR

arctg

ARarctg

rrrrr

zunanju2

2

11

1

1 π

π

αα

αα (3.29)

in

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

⋅−

⋅−=

⋅=⇒=

AR

arctg

ARarctg

rrrrr

notranji2

2

22

2

2 π

π

αα

αα . (3.30)


Razmere pri vožnji skozi levi ovinek so zrcalno enake razmeram vožnje skozi desni ovinek ( 1r in 2r sta obratno sorazmerna). Prav tako sta zgornja in spodnja nastavna vrvenica na vsaki strani vozila nasprotno enaki. Potrebujemo dva izračuna:

- izračun za krivuljo, na kateri polmer narašča, - izračun za krivuljo, na kateri polmer pada.

Naraščanje polmera je nasprotno enako padanju polmera, ker je vrv toga. Izbran polmer krmilne vrvenice je 6 cm. Zaradi konstrukcije vozila imamo omejen kot zasuka koles α med 0 in 26 °, kar pomeni, da je najmanjši radij našega vozila pri medosni razdalji vozila A=1,16 m in razdalji med krmilnimi kolesi B=1,26 m:

mmAR 025,5)26cos1(26sin

16,1)cos1(sin

=°+°

=+= αα

. (3.31)

Za konstruiranje utora vrvenice potrebujemo odvisnost spremembe premera nastavne

vrvenice od kota zasuka kolesa:

⎟⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

±+⋅⋅−

+⋅⋅−

=

A

BA

arctg

A

A

arctgrr

2)cos1(

sin2

)cos1(sin2

2,1

ααπ

ααπ

, (3.32)

kar je podano na slikah 3.35 in 3.36. Na sliki 3.37 pa je predstavljen model nastavne

vrvenice.

predtek

Kot zaostajanja ali predtek omogoča ''naravni'' občutek pri krmiljenju. V ovinku na kolesa

tako deluje moment, ki premaguje samonaravnavanje koles. Prevelik kot zaostajanja

povzroča trše krmiljenje, premajhen pa ''plavanje'' krmilnih koles.

Kot zaostajanja lahko izračunamo glede na premer kolesa in mesto vpetja ali pa

uporabimo preprost program za izračun kota zaostajanja, dosegljiv na spletni strani [10].

Za prototip smo izdelali prilagodljiv nosilec, na katerem lahko kot zaostajanja

preprosto spreminjamo, kar omogoča dodatna eksperimentiranja in prilagajanja (slika 3.38

in 3.39).

stekanje

Pri vožnji naravnost morata biti kolesi vzporedni in naravnani naravnost, saj v nasprotnem

primeru pride do povečane obrabe gum, zaradi povečanega trenja s podlago, kar doprinese

tudi k večji porabi energije.


Stekanje koles je zaradi rešitve krmiljenja nastavljivo z napenjalci bovden. Pri prototipu je

nastavljeno naravnost, glede na poizkuse pa bo končna geometrija določena naknadno.

Slika 3.35: Pozitivna sprememba polmera vrvenice

Slika 3.36: Negativna sprememba polmera vrvenice

Slika 3.37: Model vrvenice s pozitivno in negativno spremembo radija


Slika 3.38: Vpetje kolesa na krmilni mehanizem

Slika 3.39: Nastavitev predteka

Preglednica 3.15: Stroški krmilnega mehanizma

Material Postopek


(SIT) ležaji / 4 3.600 / / /

laserski razrez 1 7.200

krivljenje 2 14.400 vrtanje 1 3.600

L profil za vodenje koles in pritrditev

zavor

jeklena pločevina 0,3 m² 1.000

varjenje 1 3.000 struženje 1 7.200 vzdolžni osi jeklena

palica 0,5 m 1.800 rezkanje 0,5 1.800 struženje 1 7.200 rezkanje 1 3.600 prečni osi jeklena

palica 0,7 m 2.300 vrtanje 0,5 1.500

struženje 1 7.200 nosilec kolesa jeklena palica 0,2 m 600 varjenje 1 3.000

zaščitne matice / / 300 / / / ročica krmilnega

mehanizma jeklena

cev 2 m 1.200 krivljenje 1 3.600

napenjalci bovden / / 3.500 / / / podporni material 17 g 615

vrvenice modelni material 75 g 6.100

PolyJet 1,5 11.178

bovdne / / 4.000 / / / razrez 1,5 3.000 vrtanje 1 3.600 nosilci bovden ploščato

jeklo 1 m 1.500 varjenje 2 6.000



3.6 Karoserija

Karoserija predstavlja zaščito pred vremenskimi vplivi in aerodinamičen oklep, kar pomeni

ugodnejši tok zraka vzdolž karoserije, kot pri navadnem kolesarju ali tako imenovanem

''lezikolesu''. Iz enačbe (3.37) je razvidno, da je za doseganje večje hitrosti pri enaki porabi

energije potrebna manjša čelna površina vozila in nižja vrednost zračnega upora. Pri

velikosti čelne površine smo omejeni, saj vozilo za dve osebi, ki sedita vzporedno,

potrebuje določen volumen, rešitev z namestitvijo potnika za voznika pa ni ugodna, saj s

tem pridobimo na dolžini vozila, sama vožnja pa izgubi del privlačnosti, če sopotnik ni

zraven voznika.

Ob proučevanju aerodinamike avtomobilov [4] in predvidenih parametrov vozila iz

preglednice 3.16 dobimo po enačbi (3.37) maksimalne teoretične hitrosti, podane v

preglednici 3.17.

Preglednica 3.16: Parametri vozila

Parameter Vrednost

moč motorja P (W) 1500

ocenjen koeficient zračnega upora Cv z zaščito 0,25

ocenjen koeficient zračnega upora Cv brez zaščite 0,75

čelna površina vozila S (m²) 1,2

gostota zraka ρ (kg/m³) 1,25

Izhajamo iz enačbe za silo upora:

2***

2vSCvFn ρ= , (3.33)

kjer je Fn sila upora, Cv koeficient upora, S prečni presek vozila, ρ gostota snovi (zraka) in

v hitrost vozila.

Moč motorja P:

vFmP *= , (3.34)

iz česa sledi sila motorja Fm:

vPFm = . (3.35)


Sila motorja je enaka sili upora – dosežena maksimalna hitrost vozila:

FmFn = . (3.36)

Maksimalna hitrost vozila se izračuna po enačbi:

3**

*2ρSCv

Pv = . (3.37)

Preglednica 3.17: Maksimalna hitrost vozila, odvisna od velikosti Cv po enačbi (3.37)

Pri modeliranju zunanje oblike vozila, torej karoserije oziroma zaščite pred vremenskimi

vplivi, smo obliko morali prilagoditi položaju potnikov, vzporednem sedenju in

primarnemu (lastnemu) pogonu. Pri vozilu na hibridni pogon je v sprednjem delu potrebno

dovolj prostora, da lahko dve osebi vzporedno vrtita pedala, kar lahko vidimo na

razvojnem modelu (slika 3.40). Za ta del je odločilno, da je v karoseriji, torej za

aerodinamičnim oklepom, saj se pri vrtenju pedal zrak vrtinči, kar močno poslabša

aerodinamične lastnosti vozila.

Slika 3.40: Težave pri oblikovanju sprednjega dela vozila zaradi radija gonilke

Vozilo brez aerodinamične zaščite Vozilo z aerodinamično zaščito

Vmax (m/s) 13,87 20

Vmax (km/h) 50 72


4 Izdelava modela

V programskih paketih za CAD/CAM/CAE lahko izdelek modeliramo in si ga ogledamo

pod različnimi koti in z različnim senčenjem, s čimer si ustvarimo dokaj stvaren pogled na

končni izdelek. Kljub temu pa za večino ljudi prikaz na 2D računalniškem ekranu ni

dovolj, da bi lahko sklepali o ergonomiji izdelka oziroma si le-tega predstavljali v naravi.

Naslednji korak je tako izdelava modela po postopku hitre izdelave prototipa.

4.1 PolyJet postopek

Model vozila, izdelanega v programskem paketu Catia, smo izdelali s PolyJet postopkom

na napravi EDEN330 proizvajalca Objet (slika 4.1). Postopek PolyJet je eden najnovejših

postopkov hitre izdelave prototipov in eden najnatančnejših. Tehnologija temelji na

brizganju tekoče zmesi monomerov in oligomerov, ki reagirajo (polimerizirajo) pod

ultravijolično svetlobo. Lastnosti uporabljenega materiala so podane v preglednici 4.1.

Slika 4.1: Objet EDEN 330

Preglednica 4.1: Mehanske lastnosti materiala FullCure 700

Lastnost Vrednost

natezna trdnost (MPa) 42,3

raztezek pri prelomu (%) 15-25

elastični modul (MPa) 2000

upogibna trdnost (MPa) 70,6

upogibni modul (MPa) 1978

udarna žilavost (J/m) 25-38

tlačna trdnost (MPa) 69,4


Za izdelavo 3D modela moramo pripraviti datoteko STL v ustreznem CAD programu (v

našem primeru Catia). S programskim paketom Objet Studio datoteko odpremo in naš

model postavimo na navidezni delovni prostor tiskalnika. Program sam določi morebitne

podpore v modelu, ki se po tiskanju odstranijo z vodnim curkom.

Program model razreže na sloje debeline enega prehoda tiskalnikove glave (16 μm) in jih

pošlje tiskalniku, ki v enem prehodu izdela en sloj modela. Resolucija tiskanja je v x smeri

600 dpi (42 μm), y smeri 300 dpi (84 μm) in z smeri 1600 dpi (16 μm). Pri tem pa smo

omejeni na delovno površino dimenzij 340 mm × 330 mm × 200 mm. Vsak izdelan sloj

modela predstavlja prerez modela in ustrezne podpore. Izdelki so primerni tudi kot

pramodel za izdelavo silikonskih kalupov za postopek vakuumskega litja, ob uporabi

posebnih zgorevalnih komor pa tudi za postopke litja z izgubljenim jedrom.

Model vozila smo izdelali za namen prikaza oblike in nadaljnja testiranja v

vetrovniku. Zaradi omejene velikosti smo model izdelali v razmerju 1 : 10, kar predstavlja

vozilo dolžine 240 mm, širine 135 mm in višine 115 mm. Karoserija vozila je votla, kar

pomeni, da jo je bilo potrebno na ustreznih mestih razrezati (slika 4.3), s čimer smo znižali

stroške izdelave prototipa in dodali možnost preizkušanja različnih aerodinamičnih oblik

zadka vozila (slika 4.2) pri testih v vetrovniku. Iz enakih razlogov so tudi kolesa izdelana

naknadno in pritrjena na model (slika 4.4 in 4.5).

Slika 4.2: Izmenljiv zadek vozila

Slika 4.3: Razrezana polovica karoserije


Slika 4.4: Model vozila v razmerju 1 : 10

Slika 4.5: Model vozila iz profila

Ob proučevanju izdelanega modela smo ugotovili, da se dejansko razlikuje od modela na

2D ekranu, kljub vključeni opciji za realen pogled na model. Vozilo je na pogled daljše in

skladnejših form, kot na sliki v programskem paketu Catia.


Preglednica 4.2: Stroški izdelave modela vozila

Material Postopek


(SIT) modelni material 590 g 48.000 model vozila v

razmerju 1 : 10 podporni material 820 g 30.000

PolyJet 31,3 233.247


4.2 Priprave za test v vetrovniku

Za realne rezultate koeficienta zračnega upora je potrebno izvesti teste v vetrovniku, kjer

lahko ob poznavanju osnovnih parametrov vozila, kot je razmerje modela v primerjavi z

realnim vozilom ter čelna površina vozila, na osnovi meritve sile, ki jo model ustvarja proti

zračnemu toku, izračunamo faktor zračnega upora Cv. V našem primeru imamo model

vozila izdelan v razmerju 1 : 10 in je prilagojen vetrovniku, dostopnem na Fakulteti za

strojništvo, katerega izstopna odprtina je velikosti 20 × 20 cm. Za meritve smo projektirali

merilno konzolo (slika 4.6). Meritve bodo opravljene tekom nadaljevanja projekta.

Slika 4.6: Merilna konzola za namestitev vozila


Pri prenosu rezultatov iz modela v razmerju 1 : 10 na prototip v razmerju 1 : 1 moramo

upoštevati efekt Reynoldsovega števila, saj naj bo tok zraka okrog vozila in modela

kinematično podoben. Reynoldsovo število:

νlU ∗

=Re , (4.1)

kjer je U hitrost zraka (20 m/s), l dolžina vozila in ν kinematična viskoznost medija

( 610*7,15 − m²/s pri 20 °C [3]).

Za vozilo v naravni velikosti in model dobimo dve Reynoldsovi števili:

νareaarea lU lnln

1:1*

Re = (4.2)

in

νelaela lU modmod

10:1*

Re = . (4.3)

Ob izenačitvi obeh Reynoldsovih števil izpeljemo preneseno hitrost zraka iz testiranja

modela na realno vozilo:

sm

m

msm

llU

Uarea

elaelaarea 2

4,2

24,0*20*ReRe

ln

modmodln10:11:1 ===⇒= (4.4)

Po izenačitvi obeh Reynoldsovih števil vidimo, da je vpliv hitrosti vozila pri 20 m/s na

modelu 1 : 10 enak hitrosti 2 m/s na prototipu v razmerju 1 : 1.

Za ocenitev vedenja vozila pri višjih hitrostih bi tako potrebovali hitrejši vetrovnik,

razmerja hitrosti pa upoštevamo tudi pri izračunu koeficienta Cv, ki ga določimo po

enačbi:

2

2

***2

2***

vsF

CvSCF nvvn ρ

ρ=⇒= , (4.5)

kjer je Fn sila upora, S prečni presek vozila, ρ gostota snovi (zraka), v prenesena hitrost

vozila ob upoštevanju razmerij hitrosti.

Sila upora Fn se meri z merilno sondo, sila Fn predstavlja pritisk vozila na sondo,

zaradi vpliva delovanja sile zračnega upora (vetra).


5 Regulacija pomožnega pogona

Pomožni pogon vozila je namenjen zgolj pomoči pri pogonu vozila in ne za uporabo kot

primarni pogon, čeprav to funkcijo lahko opravlja brez predelave vodenja. Ker je vozilo

namenjeno aktivnemu preživljanju časa preživetega v njem, obenem pa ne želimo

nenehnega ročnega krmiljenja dodatne pomoči pomožnega motorja, smo razvili

prilagodljivo regulacijo pomožnega pogona. Prilagodljiva regulacija pomeni, da imamo na

osnovi informacije o pritisni sili možnost nastaviti prag, pri kateri vrednosti sile na pedal

pomožni motor prične poganjati vozilo.

Zaradi velike mase vozila, v primerjavi z ostalimi vozili na pogon mišic (kolesa), je

pomožni pogon tudi nekakšna nuja pri vožnji v hrib. Prednost hibridnega vozila je v

stabilnosti vozila, kar pomeni, da v primeru hriba prestavimo v nižjo prestavo in lahko

nadaljujemo vzpon pri izredno majhnih hitrostih, kjer bi na kolesu že izgubili ravnotežje in

morali nadaljevati peš. Pomožni pogon tako skrbi za lažje in hitrejše premagovanje hribov,

obenem pa ščiti naše telo pred preobremenitvami.

Pri telesni aktivnosti porabljamo energijo in energijske rezerve. Z višanjem

obremenitve se zviša frekvenca srca, kar je do neke mere ugodno, saj s tem naše telo

porablja odvečne kalorije, krepi mišice in izboljšuje presnovo. Od višine obremenitve, kar

posledično pomeni višino srčnega utripa, je odvisna tudi kakovost treninga. Na sliki 5.1 je

prikazano nekaj načinov treninga, območje srčne frekvence in količnik koncentracije

laktata v krvi, ki je za športno aktivnost odločilnega pomena [5, 6]. Z višanjem

obremenitve povečamo potrebe po energiji preko možnih mej, količina kisika v krvi ne

zadošča več za razgradnjo laktata, zato njegova koncentracija raste. Pričnejo se pojavljati

bolečine v mišicah in otežkočeno dihanje. Temu se lahko izognemo samo s spremljanjem

obremenitve, torej z omejitvijo treninga.


V našem primeru imamo regulacijo navora vozila, h kateri dodamo meritev obremenitve

potnikov. Potnik lahko nastavi prag, pri katerem se vključi pomoč pomožnega motorja in

tako poskrbi, da obremenitev, srčni utrip in koncentracija laktata v krvi ostanejo v mejah

sposobnosti našega telesa.

Slika 5.1: Območja treninga in vpliv treninga na telo

5.1 Meritev obremenitve

Meritev obremenitve je pri kolesarjenju izvedena dokaj kompleksno. Verodostojni podatek

je meritev pritisne sile na pedalu, kar je zaradi nenehnega vrtenja pedal težko izvesti. Na

sliki 5.2 je predstavljen brezžični merilnik obremenitve. Zaradi zapletene tehnike je

njegova cena previsoka za navadnega uporabnika.


Slika 5.2: Merilni sistem SRM V našem primeru imamo dokaj preprost način za meritev pritisne sile in posledično oddane

moči. Silo merimo posredno preko uklona okvirja, na katerega je nameščena gonilka.

Meritev je izvedena s pomočjo merilnih lističev, ki so nameščeni na optimalno mesto na

kraku okvirja vozila. Mesto namestitve je bilo določeno z metodo končnih elementov

(MKE) tam, kjer je upogib kraka okvirja največji (slika 5.3). Na osnovi tega lahko

preračunamo upogib okvirja, kar predstavlja pritisno silo kolesarja oziroma oddano moč.

Slika 5.3: Določitev mesta največjega uklona Merilni lističi se namestijo na spodnjo stran okvirja, kar pomeni, da se z obremenitvijo samo krčijo (slika 5.4). Povezani so v polni mostič (slika 5.5).


Slika 5.4: Namestitev uporovnih lističev na okvir vozila

Slika 5.5: Merilni lističi, povezani v polni mostič V tem primeru je izhodni signal mostiča vsota vseh skrčkov:

11 ******** lFklFklFklFk −+−=ε . (5.1) In če upoštevamo, da je dlll −=1 , dobimo:

]/[*2**))()((** mmdlFkdllldlllFk με =−−+−−= . (5.2) Merilnik je neodvisen od prijemališča sile, občutljivost pa povečamo z večanjem razdalje dl.

Sila je torej: dlkllk

F**2)(**2 1

εε=

−= . (5.3)


5.2 Model vozila in regulacija v MATLAB/Simulinku

Regulacijo smo simulirali v programskem paketu MATLAB/Simulink. Model

vozila in motorja je prilagojen iz obstoječega modela za električni skuter [11] ob soglasju

avtorjev. Parametri vozila so podani v preglednici 5.1. Slika 5.8 predstavlja simulacijski

model vozila z dodanim vplivom navora potnika in slika 5.9 simulacijski model motorja.

Izpeljava dinamičnega modela vozila je podana v prilogi naloge.

Preglednica 5.1: Parametri vozila

Parameter Vrednost

količnik zračnega upora Cv 0,25

število koles 3

čelna površina vozila A (m²) 1,2

polmer kolesa (m) 0,33

skupna teža vozila z eno osebo (kg) 175

teža kolesa (kg) 4,5

prestavno razmerje pomožnega pogona 1 : 7

kotalni upor kolesa 0,02

K obstoječemu modelu vozila z električnim, pomožnim motorjem smo dodali preprost

model primarnega pogona (na sliki 5.6 zelene barve). Upoštevali smo telesne sposobnosti

povprečnega amaterskega kolesarja, ki lahko dalj časa razvija 150 W moči [5, 6], kar pri

kadenci 80 vrtljajev na minuto predstavlja navor:

Nmn

PPM 182

===πω

(5.4)

S primarnim pogonom poganjamo vozilo, čutimo pa vpliv:

- naklona cestišča: ϕsinmgFk = ,

- zračnega upora: 2

21 AvcF vzu ρ= , ki deluje proti smeri gibanja in

- pomožnega motorja: kMM elpm ⋅= , kjer k predstavlja faktor vpliva.


Meja vklopa pomožnega motorja M_max_pedala je nastavljiva oziroma spremenljiva. Z

njo določimo prag vklopa pomožnega motorja glede na potrebe in zahteve voznika. Višja

kot je meja, pri višji vrednosti sile na pedalu se bo vključil elektromotor. Od tod sledi, da je

glavni regulator na hibridnem vozilu človek, ki lahko v vsakem trenutku vpliva na vklop

oziroma izklop pomožnega motorja, saj je sila na pedalu neposredno odvisna od vloženega

dela v pogon vozila.

Pri izračunu navora izhajamo iz enačbe:

lFM ⋅= , (5.5)

kjer je F izmerjena sila in l dolžina gonilke (0,175 m).

Človek lahko v kratkem času razvije navor nekje med 0 in 250 Nm. Pri tem pa gre

velikokrat tudi za kratkotrajne sunke sile. Zato je v model dodan filter, ki odpravi tudi

valovitost navora zaradi vrtenja pedal. Pri vrtenju pedal obremenitev ni konstantna, četudi

to želimo. Tekom obrata gonilke imamo različen navor na osi gonilke (slika 5.10),

upoštevati pa je treba tudi, da lahko za kratek čas prenehamo z dejavnostjo. Filter

predstavlja kratko zakasnitev vklopa in izklopa pomožnega motorja, gledano z vidika

želenega trenutka vklopa.

Navor na pedalu, ki ga ustvari človek (slika 5.7) je odvisen od:

constvelelttpnpedal G

kvkMkNMM 1)( ⋅⋅+⋅+⋅+= (5.6)

Kjer je Mpn proizveden navor človeka, Nt nagib terena, kt količnik vpliva nagiba terena,

Mel navor elektromotorja, kel količnik vpliva navora motorja, v hitrost vozila in kv

količnik vpliva hitrosti vozila.

Gconst je vpliv prestavnega razmerja vozila, v našem primeru je 7.

Kt, kel in kv so izbrane s poskušanjem in vplivajo na trenutek vklopa pomožnega motorja.

Navor pedal se v proizvedenem navoru motorja prišteje.


Regulacija pomožnega motorja je izvedena tako, da se od vpliva navora potnika odšteje

mejna vrednost navora (20 Nm na sliki 5.6), s čimer dobimo možnost vzdrževanja

konstantne obremenitve, če motor v primeru prenizkega proizvedenega navora uporabimo

kot generator in z njim dodatno bremenimo potnika:

pedalmakspedal MMM _−= (5.7)

V testni progi imamo generatorski del izključen, kar pomeni, da za navore pod 20 Nm

motor ne deluje kot generator, ampak miruje oziroma se vrti sinhrono z ostalimi sklopi. To

omogoča vožnjo, pri kateri se ob proizvedenem navoru do 20 Nm vozilo obnaša kot

klasično kolo, v primeru pozitivnega nagiba cestišča, ali namernega proizvajanja višje

vrednosti navora pa se pogonu pridruži tudi pomožni pogon.

Navor M se na sliki 5.6 množi s konstanto 50, ki predstavlja pretvorbo navora v referenčni

tok. Pred vhodom v motor tok omejimo na 50 A, kolikor znaša maksimalen tok regulatorja.

Na sliki 5.11 vidimo odzive pri vožnji vozila po namišljeni konfiguraciji terena, pri čemer

je obremenitev potnika nastavljena na 18 Nm. Na sliki 5.12 je obremenitev potnika ob

enaki konfiguraciji terena povečana na 19.9 Nm, torej približana meji 20 Nm, kar pomeni

hitrejšo vključitev pomožnega pogona ob vzponu. Enak učinek dosežemo z znižanjem

meje vklopa motorja. V vseh odzivih je konfiguracija terena v višinskih metrih zaradi

prilagoditve merila v razmerju 1 : 10 (1 m na sliki je 10 m v naravi).

Omejitev hitrosti s pomožnim motorjem je na regulatorju treba omejiti na 25 km/h, zaradi

zakona o CPP.

Slika 5.6: Model vozila z regulacijo pomožnega motorja glede na obremenitve potnika


Slika 5.7: Parametri obremenitve potnika

Slika 5.8: Simulacijski model vozila z dodanim vplivom navora potnika


Slika 5.9: Simulacijski model motorja

Slika 5.10: Navor na gonilki


Slika 5.11: Obremenitev potnika 18 Nm

Slika 5.12: Obremenitev potnika 19,9 Nm


6 Finančni pogled na projekt

Tudi pri projektu hibridnega vozila smo omejeni s finančnimi sredstvi. V uvodu smo med

drugim poudarili, da bo to cenovno ugodno vozilo. Ob pregledu komponent vidimo, da

niso izdelane iz eksotičnih materialov, ampak sta osnovna gradnika cenovno dostopno

jeklo in aluminij. Izogibali smo se dragim obdelovalnim postopkom, vendar pri izdelavi

prototipa žal ne gre brez izdelave posameznih komponent ''na roko''. Upoštevati moramo,

da ni šlo za serijsko proizvodnjo, tako da je število ur na obdelovalnih strojih višje, prav

tako stroški po izdelanem komadu.

Uporabljeni obdelovalni postopki in cena enote so predstavljeni v preglednici 6.1.

Preglednica 6.1: Urne postavke obdelovalnih postopkov

Obdelovalni postopek Delovna ura (SIT)

Polyjet postopek 7.452

krivljenje pločevine na stroju za krivljenje 7.200

laserski razrez pločevine 7.200

CNC stružnica 7.200

CNC rezkalni stroj 7.200

vrtanje 3.600

struženje 3.600

rezkanje 3.600

varjenje 3.000

razrez 2.000

barvanje 2.000

šivanje 3.000

Stroški izdelave v času nastajanja prototipa so zbrani v preglednici 6.2.


Preglednica 6.2: Stroški izdelave komponent vozila

Komponenta Stroški izdelave (SIT)

primarni pogon 16.200

pomožni pogon 428.200

pogonski elementi z ustreznimi prestavnimi

razmerji

47.300

sprednja pogonska gred s pogonskimi verižniki 58.300

zadnja pogonska gred 63.200

okvir 30.400

sedeža 120.600

vzmetenje 94.800

kolesa 116.500

zavore 66.455

krmiljenje koles 102.415

model vozila 311.247

Skupni stroški izdelave 1.455.617 SIT

Pri prototipu pa so realni stroški seštevek stroškov materiala, obdelovalnega

postopka in vloženih ur dela. Na osnovi vlaganj v času izdelave prototipa je nastala

preglednica stroškov, ki pokaže realne stroške razvoja vozila (preglednica 6.3).


Preglednica 6.3: Zbrani stroški projekta

AKTIVNOST STROŠKI (SIT)

Aktivnost Metoda Trajanje (dni)

Datum začetka

Izvajalci Programska oprema

Material Izdelava

analiza konkurence analiza tržnih potencialov

5 4.10.2004 82.000 200.000

iskanje idej Brainstorming 6 11.10.2004 32.800 ovrednotenje idej 3 18.10.2004 49.200 tehnična študija izdelka

20 8.11.2004 474.000

zapis tehničnih lastnosti

beležke, zapisi, ugotovitve

5 29.11.2004 84.000

ciljna stroškovna analiza

potrditev ciljnih stroškov

2 6.12.2004 16.800

določitev funkcij izdelka

3 13.12.2004 100.800

zasnova izdelka Brainstorming 64 20.12.2004 747.000 grobi terminski plan 1 25.10.2004 12.000 izdelava modela 4 20.1.2005 252.000 450.000 60.000 75.000izdelava prototipa 90 7.3.2005 1.335.000 600.000 805.570 691.225preizkus prototipa 5 6.6.2005 252.000 izdelava konstrukcije 60 3.1.2005 840.000 uskladitev dokumentacije

90 14.3.2005 84.000

SKUPAJ 358 4.361.600 1.250.000 865.570 766.225

STROŠEK PROJEKTA: 7.243.395,00 SIT

Časovna razporeditev aktivnosti je razvidna iz Ganttovega diagrama na sliki 6.1.


Slika 6.1: Časovna razporeditev aktivnosti

6.1 Stroški vozila

Projekt je zastavljen tako, da cena serijskega vozila ne bi presegla cene vrhunskega

gorskega kolesa, kar trenutno znese med 750.000,00 in 1.000.000,00 sit.

Vozilo odlikujejo nizki stroški vzdrževanja, nizka cena pogonske energije in

prihranek pri registraciji, ki bodisi ni potrebna, če je hitrost vozila omejena na 25 km/h,

oziroma lahko vozilo registriramo kot kolo z motorjem in elektronsko omejimo hitrost na

50 km/h.

Primerjava stroškov z novim in rabljenim vozilom pokaže realne stroške na 100

prevoženih kilometrov v obdobju 5 let (preglednica 6.4). Pri vozilu na hibridni pogon je

kot pogon upoštevan zgolj elektromotor, razlika je večja ob upoštevanju pogona s

primarnim, torej lastnim pogonom. Številke zgovorno pričajo, da so cenovno ugodna

hibridna vozila na pravi poti pri nižanju skupnih stroškov gospodinjstev.


Preglednica 6.4: Primerjava stroškov vozil 1* 2* 3* 4*

Nabavna cena vozila (SIT) 3.890.000,00 1.560.000,00 1.000.000,00 1.000.000,00

poraba goriva l/100 km 1.100,00 1.300,00 165,00 165,00

letno prevoženi kilometri 15.000 15.000 15.000 15.000

poraba goriva 5,4 l/100 km 5,9 l/100 km 6 kWh/100 km 6 kWh/100 km

stroški goriva 240 SIT/l 240 SIT/l 30 sit/kWh 30 sit/kWh

stroški goriva (SIT/leto) 194.400,00 212.400,00 27.000,00 27.000,00

Stroški goriva v 5 letih (SIT) 972.000,00 1.062.000,00 135.000,00 135.000,00

letni stroški zavarovanja in

dajatev 116.439,00 112.465,00 18.411,00 0

tehnični pregledi 7.700,00 7.700,00 4000 0

Stroški registracije v 5 letih 620.695,00 600.825,00 112.055,00 0

potrošni material (gume, jermeni

…) v 5 letih 150.000,00 250.000,00 200.000,00 200.000,00

servisni pregledi v 5 letih 120.000,00 175.000,00 100.000,00 100.000,00

Skupni stroški vzdrževanja v 5

letih 270.000,00 425.000,00 300.000,00 300.000,00

Vrednost vozila po 5 letih 1.500.000,00 450.000,00 150.000,00 150.000,00

Skupni stroški vozila

(LCC) 4.252.695,00 3.197.825,00 1.397.055,00 1.285.00,00

Stroški na 100 prevoženih

km (SIT) 28.351,30 21.318,83 9.313,70 8.567,00

1* - Nov osebni avto (VW Golf V 2.0 SDI na dan 19. 8. 2005) 2* - Rabljen osebni avto (VW Golf IV 1,9 SDI na dan 19. 8. 2005) 3* - Vozilo na hibridni pogon z registracijo in maksimalno hitrostjo 50 km/h (cena, poraba in stroški so predvideni) 4* - Vozilo na hibridni pogon (cena, poraba in stroški so predvideni)


7 Sklep

Z razvojem vozila na hibridni pogon želimo pokazati, da lahko razvijemo uporabno in

ekološko sprejemljivo vozilo tudi v času velikih korporacij in avtomobilskih proizvajalcev.

Pokazali smo, da se da z zelo omejenim proračunom, v kratkem času ob inovativnem

pristopu s pomočjo treznega razmišljanja razviti vozilo do prve razvojne stopnje, torej do

funkcionalnega modela, ki lahko navduši potencialne kupce in soinvestitorje. Zanimiv bi

bil odgovor vlade in ministrstva za zdravstvo ob predlogu za davčne olajšave za kupce

vozila, saj z vožnjo skrbimo za svoje počutje in zdravje, kar niža riziko za bolezni srca in

ožilja ter zmanjšanje izpusta 2CO v ozračje.

Projekt razvoja hibridnega vozila z zagovorom diplomske naloge ni končan. V

pripravi so dodatni sklopi, ki zaradi časovne stiske niso bili realizirani na predstavljenem

prototipu. Začrtane so tudi smernice, ki lahko omogočijo pričetek izdelave manjše serijske

proizvodnje vozila, trenutno pa še iščemo zainteresirane kooperante oziroma soinvestitorje.

Zakaj bi torej dajali polovico prihrankov za osebne avtomobile, s katerimi potem vsak dan

čakamo v mestnih gnečah, če so že danes dosegljive alternative, ki so cenejše ter okolju in

človeku prijaznejše.

Vzporedno urejamo domačo stran na spletnem naslovu http://www.vozilo.org, kjer

lahko spremljate razvoj in dobite vpogled v nove ideje in rešitve.


Literatura

[1] V. A. W. Hillier, Delovanje motornega vozila, Tehniška založba Slovenije, 1992.

[2] Ren, Zoran, Strojni elementi 1. del, Založba fakultete za strojništvo, Maribor, 2003.

[3] Puhar Jože, Stropnik Jože, Krautov strojniški priročnik – Slovenska izdaja, Littera

picta, 2003.

[4] Wolf-Heinrich Hucho, Aerodinamics of Road Vehicles, SAE International, 1998.

[5] Wolfram Lindner, Erfolgreiches Radsporttraining, BLV Verlagsgesellschaft mbH,

1994.

[6] Christof Weiß, Handbuch Radsport, BLV Verlagsgesellschaft mbH, 1996.

[7] Tandems & Tandeming, katalog proizvajalca tandem koles Santana, 2004.

[8] Brushless Permanent Magnet Motor Drives, katalog podjetja Iskra Avtoelektrika, 2004.

[9] SKF, Y serija ležajev, (29. 8. 2005).

http://www.skf.com/portal/skf/home/products?paf_dm=shared&maincatalogue=1&lang=e

n&newlink=6_1_20a

[10] Spletni program za izračun predteka koles, (29. 8. 2005)

http://www.kreuzotter.de/english/elenk.htm

[11] Evgen Urlep, Janko Horvat, Iztok Kodrič, Električni skuter - poročilo projektne

naloge, 2004


Priloge Matematični model sistema

Matematični model sistema je sestavljen iz dinamičnega modela vozila, prenosa in

motorja.

Dinamični model vozila Na osnovi drugega Newtonovega zakona je zapisan dinamični model vozila:

mehel MMdtdJ −=ω

. ( 1)

Kot je razvidno iz enačbe 1 je rezultirajoči navor, ki pospešuje maso razlika med

dovedenim električnem navorom Mel in navorom, ki se upira vrtenju Mmeh. Navor Mmeh

je seštevek navora kotalnega trenja, navora zračnega upor in navora, ki ga povzroča nagib

podlage ( 2). Navori izhajajo iz sil, preračunanih na os pogonskega kolesa.

Navor kotalnega trenja:

Navor kotalnega trenja nastane zaradi sile trenja med podlago in kolesom. Sila

deluje proti smeri gibanja:

kkt vBF = ,

rFBrM ktkkt == ω2 ,

Fkt – sila kotalnega trenja (N),

Bk – kotalni upor med podlago in kolesom,

v – hitrost vozila (m/s),

r – polmer kolesa (m).

( 2)


Sila zračnega upora nastane zaradi upora zraka na vozilo in voznika. Sila deluje proti smeri

gibanja:

2

21 AvcF vzu ρ= ,

3

21 rAcM vzu ωρ= ,

Fzu – sila zračnega upora (N),

Cv – koeficient upora,

ρ - gostota tekočine (zraka) (Ns/m²),

A – uporovna površina (m²).

( 3 )

Sila, ki nastopi zaradi naklona cestišča in deluje v smeri upadanja klanca:

ϕsinmgFk = ,

ϕsinrmgM k = ,

m – masa vozila (kg),

g – težnostni pospešek (m/s²),

ϕ - kot klanca (%).

( 4 )

Vztrajnost J je sestavljena iz rotacijske vztrajnosti koles in translacijske vztrajnosti

celotnega vozila:

tr JJJ += ,

J – vztrajnostni moment celotnega vozila (kgm²),

( 5)

2rmJ rr = ,

Jr – vztrajnostni moment kolesa (kgm²),

mr – masa kolesa (kg),

( 6)

rmr

M ω= ,

2rmJ tt = ,

Jt – vztrajnostni moment vozila (kgm²),

mt – skupna masa vozila.

( 7)


Dinamični model vozila je sestavljen na osnovi enačbe (1) ob upoštevanju (2)(3)..(7):

)sin21()( 3222 ϕωρωω rmgrAcBrnM

dtdrmnrm vkkelrkt ++−=+ ,

))sin21((

)(1 32

2 ϕωρωω rmgrAcBrnMmnmrdt

dvkkel

rkt

++−+

= ,

nk – število koles vozila.

( 8)

Dinamični model menjalnika Navor motorja se prenaša na kolo preko fiksnega verižnega prenosa. Prestavno razmerje Gf

je določeno številom zob verižnikov (9). Prestavno razmerje je definirano tako, da je

navor na gnanem verižniku G krat večji od navora na pogonskem verižniku. Pri izračunu

dinamičnega modela je zanemarjen vpliv mase verige.

g

pf r

rG = ,

pfg MGM = ,

f

pg G

ωω = ,

Gf – fiksno prestavno razmerje,

rp – število zob pogonskega verižnika (m),

rg – število zob gnanega verižnika (m),

Mp – navor pogonskega verižnika,

Mg – navor gnanega verižnika.

( 9)


Vztrajnost J je sestavljena iz rotacijske vztrajnosti gnanega in pogonskega verižnika.

f

gpmf G

JJJ += ,

2

21

ppp rmJ = ,

2

21

ggg rmJ = ,

Jmf – vztrajnostni moment fiksnega menjalnika (kg/m²),

Jp – vztrajnostni moment pogonskega verižnika (kg/m²),

Jg – vztrajnostni moment gnanega verižnika (kg/m²),

mp – masa pogonskega verižnika (kg),

mg – masa gnanega verižnika (kg).

( 10)

Izgube v verigi: 2

ppijij rBM ω= ,

Mij – navor izgub verige (Nm),

Bij – faktor izgub verige.

( 11)

Dinamični model fiksnega prestavnega razmerja je sestavljen na osnovi en.(9),(10),(11).

ijg

pp

mf MG

MM

dtd

J −−=ω

,

ωp – kotna hitrost pogonske gredi. ( 12)

V primeru opazovanja samo menjalnika, je Mg = 0 Nm.

Dinamični model fiksnega prestavnega razmerja:

)(1

2

)2

121(

2

22

222

ppijp

ggf

pp

p

ppijpp

ggf

pp

rBMrm

Grmdt

d

rBMdt

drm

Grm

ωω

ωω

−+

=

−=+

( 13)


Poenostavitev modela

Za lažje razumevanje modelov se predpostavi, da je sistem brez izgub. Tako nastane

naslednji model menjalnika:

pg

p

p

ppg

p

M

GJ

Jdtd

Mdt

dGJ

J

+=

=+

1

)(

ω

ω

( 14)

Dinamični model vozila z fiksnim prestavnim razmerjem se sestavi iz dinamičnega modela

vozila (8) in dinamičnega modela prestave(17)

GM

M

GJ

Jdt

d

rmgrAcBrnMmnmrdt

d

gp

gp

p

vkkelrkt

−+

=

++−+

=

1

))sin21((

)(1 32

2

ω

ϕωρωω

( 15)

Tako je dinamični model celotnega sistema(20) preračunan na pogonsko os prestave

naslednje oblike:

))sin

21(

()(

132

2 G

rmgrAcBrnM

JG

Jmnmrdtd vkk

el

pgrkt

pϕωρωω ++

−

+++

=

Mel – pogonski navor, ki žene pogonsko os prestave.

( 16)


Na osi kolesa:

))sin21((

)(1 32

2 ϕωρωω

ωω

rmgrAcBrnGMGJJmnmrdt

d

G

vkkelpgrkt

p

++−+++

=

=

( 17)

Dinamični model pogona

Matematični model je zgrajen na osnovnih enačbah sinhronskega motorja s trajnimi

magneti:

dtdRs

sss

ψiu += ( 18 )

Rss Ψiψ += sL ( 19 ) ϕψ j

PM e=Rψ ( 20 )

rel pωω = ( 21 )

Rsel ψiM ×= ( 22 )

Naš sinhronski motor ima 6 polov, zato se ωel in ωr razlikujeta.

Ker motor vodimo vektorsko, so vrednosti us, ψs in ψR so vektorske veličine.

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

sb

sa

uu

su ( 23 )

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

ϕϕ

ψsincos

PMRψ ( 24 )


Iz osnovne tokovne enačbe:

( )sPMels

RLdt

dss

s iui−−= ψω1

( 25 )

v vektorski obliki ter

( )ϕψω sin1PMelssasa

s

sa RiuLdt

di+−=

( 26 )

in

( )ϕψω cos1PMelssbsb

s

sb RiuLdt

di−−=

( 27 )

v kartezični obliki sestavimo model v Simulinku.

( )sPMels

RLdt

dss

s iui−−= ψω1

( 25 )

( )ϕψω sin1PMelssasa

s

sa RiuLdt

di+−=

( 26 )

( )ϕψω cos1PMelssbsb

s

sb RiuLdt

di−−=

( 27 )

Navor motorja je izražen kot:

ϕψϕψ sincos PMsaPMsbel iiM −= ( 28 )


Pokroviteljstvo pri projektu Tekom projekta so denarno, materialno in strokovno pomoč, svetovanja ter podporo nudili

predstavniki sledečih podjetij:

Fakulteta za elektrotehniko, Smetanova ul. 17, 2000 Maribor

Fakulteta za strojništvo, Smetanova ul. 17, 2000 Maribor

Vesna, D. D., Podjetje za akumulatorsko dejavnost, Einspielerjeva ulica 31, 2000 Maribor

Piktronik, d. o. o., Cesta k Tamu 17, 2000 Maribor

M-Trade, d. o. o., Prešernova cesta 17 A, 9250 Gornja Radgona

Fun Sport – DEN, Jezdarska ulica 1, 2000 Maribor

Kolesar, Šmartinska 152, 1000 Ljubljana

TVT – nova, Preradovičeva ulica 22, 2000 Maribor

Vsebina priložene zgoščenke PDF dokument diplomske naloge, PDF predstavitve diplomske naloge, vse slike iz

diplomske naloge v originalni resoluciji in fotografije izdelave prototipa.

Podatki študenta Bogdan Valentan

Vodole 36

2229 Malečnik

Tel: 031 346 130

[email protected]


Kratek življenjepis

OSEBNI PODATKI Ime in priimek: Bogdan Valentan Datum rojstva: 21. 7. 1977 Naslov: Vodole 36, 2229 Malečnik Mobilni telefon: 031-346-130 Državljan: Slovenec Zakonski stan: neporočen E-naslov: [email protected]

IZOBRAZBA 2003–2005 2003 1999–2003 1996 1992–1996

FERI – smer Mehatronika UNI diplomiral iz elektrotehnike VS (Industrijski Ethernet) FERI – smer Avtomatika opravil zaključni izpit Srednja elektro računalniška šola Maribor

DELOVNE IZKUŠNJE 2001 2002 2003 2003 2004 2004 2005

študentsko delo – Raziskovalni center Gačnik – 3 mes. študentsko delo – Raziskovalni center Gačnik – 3 mes. praksa – Telem 6 mes. študentsko delo – Telem 4 mes. praksa – Piktronik 1. mes. študentsko delo – Piktronik projektno delo – razvoj vozila na hibridni pogon – FERI, FS

DODATNA IZOBRAŽEVANJA 1998 2003 2003

služenje vojaškega roka industrijski Ethernet Hirschmann Smartec – meritev premikov na optičnem principu

ZNANJA TUJIH JEZIKOV nemški - aktivno angleški – pasivno hrvaški – pasivno

ŠTIPENDIJE 1999–2005

Republiška štipendija

RAZVOJ VOZILA NA HIBRIDNI POGON S PRILAGODLJIVO … · 2018-08-23 · III Razvoj vozila na hibridni...

Documents

Transcript of RAZVOJ VOZILA NA HIBRIDNI POGON S PRILAGODLJIVO … · 2018-08-23 · III Razvoj vozila na hibridni...