El desarrollo de un sistema que ha alcanzado su límite puede continuar a nivel de un superesistema. Habiendo agotado los recursos de su desarrollo, el sistema se combina con otro sistema, formando un sistema nuevo y más complejo.
Fundamentos de la teoría del desarrollo de sistemas técnicos.
Los autos eléctricos difieren de los autos tradicionales no solo en la simplicidad del diseño. De acuerdo con la ley del desarrollo del sistema, la transición a una nueva fuente de energía significa automáticamente una revisión del diseño de todo el sistema. Por el momento, los autos eléctricos no han perdido su parecido externo con los autos convencionales. No solo hay razones de diseño en esto, sino también completamente psicológicas.
¿Comprarías un auto radicalmente diferente a los normales? Y lo más importante: ¿cómo acostumbrarse al hecho de que el resto de la dinámica y la capacidad de control en el futuro van a la zaga de los primeros autos como un caballo?
La etapa inicial de la "reestructuración" del dispositivo del sistema del vehículo eléctrico puede juzgarse por el cambio de actitud hacia la aerodinámica y la conservación y producción de calor.
En artículos anteriores,
Liquid Brake Cooling System y
Liquid Brake Cooling. Opciones de desarrollo del sistema del que hablé principalmente sobre el uso de sistemas de refrigeración líquida para automóviles comunes y vehículos híbridos eléctricos. Este artículo tratará sobre el desarrollo de un sistema similar en un vehículo eléctrico en el que se utilizarán ruedas de motor.
Un automóvil eléctrico con ruedas de motor es exactamente el futuro de este tipo de transporte, que muchos expertos predicen. La ubicación "clásica" del motor fuera del volante no permite el uso completo de la recuperación y cambia arbitrariamente la forma del automóvil. En este caso, incluso en teoría pura, tal "cruce de una rueda y un motor" proporciona una mayor eficiencia en comparación con un esquema con un elemento de transmisión intermedio.
¿Por qué, para todas las ventajas de las ruedas de motor, no las use? Todo se debe a los inevitables inconvenientes de este diseño.
El primero, y probablemente obvio para todos, es la carga de calor de la estructura. ¡Tres elementos potencialmente cargados y generadores de calor están muy cerca uno del otro!
1. Cojinete de la rueda (ya que la rueda tiene una masa mayor que el calentamiento normal durante la operación anterior).
2. El mecanismo de freno, que de hecho está sujeto a un fuerte calentamiento, y con una colocación tan densa, el enfriamiento por aire se realiza en las peores condiciones.
3. Motor eléctrico: potencialmente, cuando está sobrecargado, se calienta no solo a sí mismo, sino también a los "vecinos".
... ¿Y cuál es la solución en caso de tales problemas?
1º - para dividir los elementos cargados de calor
2º - enfriar con líquido
El diagrama describe la ubicación de tal enfriamiento.
Además, habrá una explicación con fórmulas, que espero haya dejado lo más clara posible para una amplia gama de lectores.
Un amortiguador es un dispositivo para amortiguar las vibraciones (amortiguación) y absorber los choques y los choques de los elementos móviles (suspensión, ruedas), así como el cuerpo del vehículo,
al convertir la energía mecánica del movimiento (vibraciones) en calor.Según la definición, no es difícil adivinar cuál es el principal problema de los amortiguadores en el cálculo. En promedio, la temperatura máxima para la mayoría de los amortiguadores se establece en no más de 100 grados. Trabajar con exceder este límite o cerca de este borde determina en gran medida el recurso de esta unidad (vale la pena recordar que esta temperatura está determinada en gran medida por la durabilidad del eslabón más débil en la suspensión: sellos de varilla de goma, que son responsables de la estanqueidad del sistema).
Según el cálculo, es fácil comprender que, al no tener otra alternativa que el enfriamiento por aire, es necesario establecer ciertas reservas para la resistencia y la capacidad térmica del material. Este peso extra es una garantía de funcionamiento estable en condiciones extremas. Pero incluso esta "reserva" como regla no se guarda en condiciones de heladas y cargas de calor extremo. La característica de amortiguación cambia debido a cambios en la viscosidad del líquido, y si se exceden los parámetros calculados, el amortiguador simplemente falla. Además, el clima frío se caracteriza por un mayor desgaste si los amortiguadores no se "calientan" antes de conducir a bajas velocidades (esta es una recomendación común para los conductores cuando conducen en invierno, ya que además del mayor desgaste, las características del amortiguador también disminuyen, lo que reduce su eficacia al "calentamiento") .
Todo esto nos lleva a una cierta "bifurcación" de soluciones.
Primero (que se implementa actualmente), aumentando la estabilidad de los recursos de temperatura del amortiguador debido a nuevos materiales, y el uso de tanques de amortiguación (amortiguadores con "gas" y otros).
La segunda solución, que parte de la lógica del artículo, es la creación de una "camisa" de agua alrededor del amortiguador, mientras lo reduce en función de una disipación de calor más compacta. Por lo tanto, no solo se resolverá el problema del peso, sino también el tiempo de calentamiento-enfriamiento de esta unidad de suspensión.
Incluso en el diseño de amortiguadores, por regla general, hay válvulas de compresión y retroceso que ayudan a amortiguar las oscilaciones de alta frecuencia, y también sirven para amortiguar las oscilaciones en caso de aumentar la viscosidad del fluido de amortiguación a baja temperatura ambiente (es decir, realizan una función similar con un termostato: sirven para calentar rápidamente fluido y manteniendo la estabilidad del mecanismo).
Entiendo que tal propuesta puede causar gran indignación entre colegas en la fabricación de automóviles, y esto no es sorprendente. El pensamiento óseo aquí es principalmente una dependencia del ritmo de desarrollo de la industria, es decir la industria automotriz no se puede comparar con el desarrollo de procesadores para computadoras (de lo contrario, como dijeron en una comparación bien conocida, "los automóviles habrían consumido un mínimo de combustible y ya volaron").
Ahora pasemos al
rodamiento de la
rueda.
Comencemos con las historias de terror.
Desafortunadamente, esta declaración no es un intento de intimidar, sino la verdad banal de la vida. A pesar del hecho de que la calidad de los rodamientos ha aumentado a veces la posibilidad de una "cuña" a la velocidad, nadie ha cancelado (y teniendo en cuenta qué clases de precisión se utilizan ahora en la fabricación de los rodamientos, la respuesta y la nitidez de la cuña de la rueda son incluso mayores que antes).
Disparar con una cámara termográfica indica directamente el punto más caliente de la rueda (excepto la temperatura de los discos de freno).
El cálculo térmico del rodamiento de rueda se ve así:
De lo anterior se deduce que las debilidades del rodamiento, es la temperatura en condiciones de trabajo. El problema de la resistencia al desgaste ahora se resuelve bien protegiendo el rodamiento de la contaminación y más aleaciones resistentes al desgaste en el rodamiento (la precisión de fabricación también afecta, pero no tanto, y nadie coloca rodamientos de precisión en el buje, aunque en teoría esto aún podría aumentar la eficiencia).
Particularmente bueno en este momento es el problema de la lubricación. Los lubricantes modernos para resistencia al calor y durabilidad han superado durante mucho tiempo los análogos de los tiempos de la URSS.
¿Por qué hasta ahora nadie ha resuelto el problema de enfriar el rodamiento? Pero porque, de hecho, estaba prácticamente ausente, y no estaba tan de pie.
El calor del rodamiento fue perfecto en diferentes direcciones a lo largo de los elementos metálicos de la suspensión. Aquí podemos dar un ejemplo del motor de combustión interna, donde también había rodamientos que no se enfriaban con aceite, pero funcionaban perfectamente. Estos ejemplos son comprensibles, pero en el caso de una rueda de motor, ¡tratar de ignorar el riesgo de sobrecalentamiento puede ser muy costoso! ¡En un accidente, pierde no solo la rueda, sino también el motor (que es varias veces más alto que el resto de los componentes)!
¿Cómo enfriar el rodamiento y al mismo tiempo no aumentar la masa de la rueda del motor?Vale la pena recordar que en nuestro tiempo, la competencia por los metales en la suspensión ya está realizada con éxito por varios compuestos. Por lo tanto, solo necesita tomar el cojinete de la rueda, o más bien su ubicación de montaje (carcasa), y hacerlo de un compuesto con canales internos para refrigerante. Esto no solo resuelve el problema del sobrecalentamiento de los rodamientos, sino que también estabiliza el régimen de temperatura del compuesto en sí, ya que el punto más débil de los plásticos es el calentamiento a altas temperaturas.
El próximo retador, y posiblemente el principal "proveedor" de fluido a alta temperatura, será un
freno de tambor normal. Su diseño es simple y directo, y la apariencia de su sistema de enfriamiento por fluido se describió en un artículo anterior. Ahora, después de lo anterior, espero que esté claro de dónde vendrá otra fuente de calor en el tambor.
El cálculo del calor para los mecanismos de freno se verá así:
El elemento principal de la
rueda del
motor, un motor eléctrico refrigerado por líquido , también dará un cierto calor. En Habré también hay material muy interesante sobre
desarrollos domésticos en esta dirección. Por mi cuenta, solo noto que con el inevitable aumento en la potencia del motor, la generación de calor también aumentará.
Todo lo anterior puede tener otra función útil: diagnóstico. Medir los parámetros de operación de componentes y ensambles importantes en tiempo real es casi lo mismo que monitorear la operación del motor de combustión interna a través de una serie de sensores en el motor, para obtener el máximo rendimiento del sistema.Obviamente, surge la pregunta: ¿por qué necesitamos refrigeración-calentamiento de los cojinetes de las ruedas y los amortiguadores en un automóvil eléctrico? ¿Por qué estos flujos de calor débiles, incluso teniendo en cuenta que el automóvil eléctrico necesita calor?
La respuesta es compleja, pero bastante lógica. Por el momento, un automóvil eléctrico convencional tiene una tracción a través de una junta de velocidad constante en una rueda. Una opción ideal para un vehículo eléctrico en el futuro, muchos expertos llaman la rueda del motor. Con el accionamiento ubicado directamente en la rueda, hay oportunidades adicionales para la recuperación y, en general, aumenta la confiabilidad del sistema.
Por analogía con las bicicletas y las motocicletas eléctricas, es fácil entender que el esquema de la rueda del motor no es un futuro lejano, sino el presente cercano.
Mirando las conclusiones
aquí , puedes ver cómo ven el futuro de tales ruedas.
¡En 2008 se mostró un prototipo real que combina las características máximas de manejo y dinámica!
¡El motor aquí es eléctrico y está refrigerado por un fluido, y los
frenos son completamente eléctricos ! Es decir todo es exactamente como lo describí en el artículo anterior.
Una prueba de manejo de un automóvil con tales ruedas se encuentra en
este artículo y con más detalle
aquí.Como puede ver, de esto se deduce que el enfriamiento del motor eléctrico definitivamente será líquido. Debido a la gran cantidad de elementos, el sistema se vuelve complejo, y el enfriamiento de aire convencional simplemente no puede hacer frente a la poderosa generación de calor de todos los puntos de generación de calor. El inconveniente más obvio aquí ya será la baja confiabilidad de algunos elementos, como los frenos, los cojinetes de las ruedas y los amortiguadores. Las cargas en la rueda aumentarán y el equilibrio térmico deberá estabilizarse en funcionamiento para aumentar la durabilidad de todos los elementos.
Hay otro problema con las ruedas del motor: el peso de todo el kit en la rueda. Este inconveniente con los métodos de alta tecnología está solo parcialmente nivelado. Lo más razonable aquí es eliminar de las masas no suspendidas del sistema el elemento más "flexible": los amortiguadores con resortes. El método de "extracción" es la transferencia de la rueda hacia un lado, utilizando el sistema de tracción de este elemento.
Puedes hacerlo en 2CV ...
Pero te pueden gustar algunos autos deportivos.
Es posible un factor adicional en el ahorro de peso de la rueda cuando se usan compuestos.Entonces, en este momento, el compuesto puede ser:
Resortes
Muelles de suspensión en
espiral de fibra de vidrio (GFRP) .
Desde 2015, están instalados en la modificación del Audi A6 Avant ultra con un motor diesel de 190 caballos de fuerza.
Bastidor auxiliar
Submarco compuesto para Ford (actualmente en prueba).
Apalancamiento
Palanca compuesta "Ascensor". Una tecnología experimental que consiste en reemplazar 3 elementos de suspensión a la vez (amortiguador, palanca, resortes).
Plataforma de vehículos eléctricos Williams: el FX-EXV incorpora tecnología de suspensión de plástico.
Discos de freno (y en nuestro caso sería bueno aplicar tecnología de carbono a los frenos de tambor)
Discos de freno "carbono". ¡La principal desventaja de tales frenos es la necesidad de calentar, y este problema a veces se resuelve incluso parcialmente mediante el calentamiento eléctrico del disco! Un proceso similar sería mucho más económico en un tambor.
Discos compuestos
Ruedas de plástico Audi. El prototipo de 2007. Probado 250,000 km. (Aluminio sin recubrimiento). VW está probando un diseño similar. La tecnología ya está en la etapa de implementación en la producción en masa.
El uso de tecnologías compuestas en la suspensión simplifica la tarea de instalar las ruedas del motor, pero no resuelve el problema del calentamiento. Enfriamiento: el calentamiento fluido de los cojinetes, frenos y amortiguadores aumentará el recurso, y lo más importante, la confiabilidad de todos estos elementos es independiente de las condiciones de temperatura externa.
Tal sistema de enfriamiento y calentamiento puede parecer realmente complicado a primera vista. El calor generado por fuentes auxiliares puede ser muy pequeño, pero en el automóvil eléctrico veo grandes oportunidades para ahorrar calor (más sobre esto en los siguientes artículos).
Por lo tanto, lo que puede no ser esencial para un automóvil con un motor de combustión interna, para un automóvil eléctrico puede proporcionar ahorros tangibles.
Mejorar la confiabilidad de la suspensión es muy útil para los automóviles que se usan para compartir vehículos o para alquiler a largo plazo, así como para los automóviles robóticos que funcionan en condiciones difíciles.
Momento crítico
- ¿Por qué complicar tanto la suspensión?
La complicación de la refrigeración es fácil de entender por analogía en la historia. En el momento de la transición del aire al enfriamiento por líquido, ICE también pensó que esto solo crearía problemas adicionales. Como resultado de la transición, ¿alguien sueña con tirar un radiador y otras partes del sistema de enfriamiento fuera de su motor? No existe tal cosa ... pero hay ventajas en la forma de mejorar la confiabilidad de las piezas enfriadas.
Ciertamente puede pensar por qué todas estas mejoras son por el bien de la "eternidad", y aquí me gustaría dar un ejemplo de un automóvil
Porsche FLA Concept .
Si transfiere la idea a los autos eléctricos, entonces el problema de la durabilidad puede aumentar por un factor. Además, la solución al problema de aumentar la vida útil de los "consumibles", en el contexto de la vida útil de los componentes eléctricos, parece bastante lógica.
PD: como resultado de todas las transformaciones descritas, se puede obtener una suspensión ligera con ruedas de motor, utilizando todo el potencial térmico de los mecanismos de movimiento. En este caso, el nivel de simplicidad y fiabilidad del accionamiento eléctrico se puede comparar con la durabilidad de suspensión requerida a largo plazo. Ya existe una psicología pura, es decir, el deseo de tener un automóvil es aún mejor y más duradero que el modelo anterior, así como un factor ambiental (cuanto más tiempo se usa el mecanismo, menos desperdicio creará, y los costos son principalmente para la eliminación de líquidos y el reemplazo de piezas pequeñas).