Le développement d'un système qui a atteint sa limite peut se poursuivre au niveau d'un sur-système. Ayant épuisé les ressources de son développement, le système se combine avec un autre système, formant un nouveau système plus complexe.
Fondements de la théorie du développement des systèmes techniques.
Les voitures électriques diffèrent des voitures traditionnelles non seulement par la simplicité de leur conception. Selon la loi de développement du système, le passage à une nouvelle source d'énergie entraîne automatiquement une révision de la conception de l'ensemble du système. À l'heure actuelle, les voitures électriques n'ont pas perdu leur ressemblance externe avec les voitures conventionnelles. Il y a non seulement des raisons de conception, mais aussi complètement psychologiques.
Achèteriez-vous une voiture radicalement différente des voitures ordinaires? Et surtout - comment s'habituer au fait que le reste de la dynamique et de la contrôlabilité à l'avenir seront à la traîne des premières voitures comme un cheval?
L'étape initiale de la "restructuration" du dispositif du système de véhicule électrique peut être jugée par le changement d'attitude envers l'aérodynamique et la conservation et la production de chaleur.
Dans les articles précédents,
Liquid Brake Cooling System et
Liquid Brake Cooling. Options de développement de systèmes J'ai parlé principalement de l'utilisation de systèmes de refroidissement liquide pour les voitures ordinaires et les véhicules hybrides électriques. Cet article portera sur le développement d'un système similaire dans un véhicule électrique dans lequel des roues motrices seront utilisées.
Une voiture électrique à roues motrices est exactement l'avenir de ce type de transport, ce que de nombreux experts prédisent. L'emplacement "classique" du moteur à l'extérieur de la roue ne permet pas d'utiliser pleinement la récupération, et de modifier arbitrairement la forme de la voiture. Dans ce cas, même en théorie pure, un tel «croisement d'une roue et d'un moteur» donne un rendement plus élevé par rapport à un schéma avec un élément de transmission intermédiaire.
Pourquoi, malgré tous les avantages des roues motrices, ne pas les utiliser? Le tout est dû aux inconvénients inévitables de cette conception.
Le premier, et probablement évident pour tout le monde, est la charge thermique de la structure. Trois éléments potentiellement fortement chargés et générateurs de chaleur sont très proches les uns des autres!
1. Roulement de roue (car la roue a une masse plus importante que le chauffage normal pendant le fonctionnement ci-dessus).
2. Le mécanisme de freinage, qui est en fait soumis à un fort échauffement, et avec un placement aussi dense, le refroidissement par air a lieu dans les pires conditions.
3. Moteur électrique - potentiellement, lorsqu'il est surchargé, il se réchauffe non seulement lui-même, mais aussi les «voisins».
... Et quelle est la solution en cas de tels problèmes?
1er - pour diviser les éléments chargés de chaleur
2e - refroidir avec du liquide
Le diagramme indique l'emplacement d'un tel refroidissement.
De plus, il y aura une explication avec des formules, qui, je l'espère, a été aussi claire que possible pour un large éventail de lecteurs.
Un amortisseur est un dispositif pour amortir les vibrations (amortissement) et absorber les chocs et les chocs des éléments mobiles (suspension, roues), ainsi que la carrosserie du véhicule lui-même,
en convertissant l'énergie mécanique du mouvement (vibrations) en chaleur.Sur la base de la définition, il n'est pas difficile de deviner quel est le principal problème des amortisseurs dans le calcul. En moyenne, la température maximale de la plupart des amortisseurs est fixée à 100 degrés maximum. Le travail avec dépassement de cette limite ou près de cette frontière détermine en grande partie la ressource de cette unité (il convient de rappeler que cette température est largement déterminée par la durabilité du maillon le plus faible de la suspension - les joints de tige en caoutchouc, qui sont responsables de l'étanchéité du système).
Sur la base du calcul, il est facile de comprendre que, n'ayant pas d'autre alternative que le refroidissement par air, il est nécessaire de constituer certaines réserves pour la résistance et la capacité thermique du matériau. Ce poids supplémentaire est une garantie de fonctionnement stable dans des conditions extrêmes. Mais même cette «réserve» n'économise généralement pas dans des conditions de gel et de charges thermiques extrêmes. La caractéristique d'amortissement change en raison de changements dans la viscosité du liquide, et si les paramètres calculés sont dépassés, l'amortisseur tombe simplement en panne. De plus, le temps froid se caractérise par une usure accrue si les amortisseurs ne se «réchauffent» pas avant de rouler à basse vitesse (c'est une recommandation courante pour les conducteurs qui conduisent en hiver, car en plus d'une usure accrue, les caractéristiques de l'amortisseur diminuent également, ce qui réduit son efficacité à «s'échauffer») .
Tout cela nous amène à une certaine «fourchette» de solutions.
1er (qui est actuellement mis en œuvre), l'augmentation de la stabilité des ressources de température de l'amortisseur en raison de nouveaux matériaux, et l'utilisation de réservoirs tampons (amortisseurs à «gaz» et autres).
La deuxième solution, qui procède de la logique de l'article, est la création d'une «chemise» d'eau autour de l'amortisseur, tout en la réduisant sur la base d'une dissipation thermique plus compacte. Ainsi, non seulement le problème de poids sera résolu, mais également le temps de chauffage-refroidissement de cette unité de suspension.
Même dans la conception des amortisseurs, en règle générale, il existe des soupapes de compression et de recul qui aident à amortir les oscillations à haute fréquence, et servent également à amortir les oscillations en cas d'augmentation de la viscosité du fluide d'amortissement à basse température ambiante (c'est-à-dire qu'elles remplissent une fonction similaire avec un thermostat - elles servent à un chauffage rapide fluide et maintenant la stabilité du mécanisme).
Je comprends qu'une telle proposition peut provoquer une grande indignation parmi les collègues de la construction automobile, et cela n'est pas surprenant. La réflexion sur les os ici dépend principalement du rythme de développement de l'industrie, c'est-à-dire l'industrie automobile ne peut pas être comparée au développement de processeurs pour ordinateurs (sinon, comme ils l'ont dit dans une comparaison bien connue, «les voitures auraient consommé un minimum de carburant et auraient déjà volé»).
Passons maintenant au
roulement de roue.
Commençons par les histoires d'horreur
Malheureusement, cette déclaration n'est pas une tentative d'intimider, mais la banale vérité de la vie. Malgré le fait que la qualité des roulements a parfois augmenté la possibilité d'un «coin» à la vitesse, personne n'a annulé (et compte tenu des classes de précision qui sont actuellement utilisées dans la fabrication des roulements, la netteté du fonctionnement et du calage de la roue est encore plus élevée qu'auparavant).
La prise de vue avec un imageur thermique indique directement l'endroit le plus chaud de la roue (à l'exception de la température des disques de frein).
Le calcul thermique du roulement de roue ressemble à ceci:
De ce qui précède, il résulte que les faiblesses du roulement, c'est la température en état de fonctionnement. Le problème de la résistance à l'usure est désormais bien résolu en protégeant le roulement contre la contamination, et des alliages plus résistants à l'usure dans le roulement lui-même (la précision de fabrication affecte également, mais pas tellement, et personne ne place des roulements de précision dans le moyeu, bien qu'en théorie cela puisse encore augmenter l'efficacité).
Le problème de la lubrification est particulièrement bon en ce moment. Les lubrifiants modernes pour la résistance à la chaleur et la durabilité dépassent depuis longtemps les analogues de l'époque de l'URSS.
Pourquoi jusqu'à présent, personne n'a résolu le problème du refroidissement du roulement? Mais parce qu'en fait, elle était pratiquement absente, et elle ne tenait pas aussi fermement.
La chaleur du roulement s'est parfaitement déroulée dans différentes directions le long des éléments métalliques de la suspension. Ici, nous pouvons donner un exemple du moteur à combustion interne, où il y avait aussi des roulements qui n'étaient pas refroidis par l'huile, mais fonctionnaient parfaitement. Ces exemples sont compréhensibles, mais dans le cas d'une roue de moteur, essayer d'ignorer le risque de surchauffe peut être très coûteux! En cas d'accident, vous perdez non seulement la roue, mais aussi le moteur (qui est plusieurs fois plus élevé que le reste des composants)!
Comment refroidir le roulement et en même temps ne pas augmenter la masse de la roue motrice?Il convient de rappeler qu'à notre époque, la concurrence pour les métaux dans la suspension est déjà lancée avec succès par divers composites. Par conséquent, il vous suffit de prendre le roulement de roue, ou plutôt son emplacement de montage (boîtier), et de le fabriquer à partir d'un composite avec des canaux internes pour le liquide de refroidissement. Cela résout non seulement le problème de la surchauffe des roulements, mais stabilise également le régime de température du composite lui-même, car le point le plus faible des plastiques chauffe à des températures élevées.
Le prochain challenger, et peut-être le principal «fournisseur» de fluide à haute température, sera un
frein à tambour ordinaire. Sa conception est simple et directe, et l'apparence de son système de refroidissement par fluide a été décrite dans un article précédent. Maintenant, après ce qui précède, j'espère qu'il est clair d'où viendra une autre source de chaleur dans le tambour.
Le calcul de la chaleur pour les mécanismes de freinage ressemblera à ceci:
L'élément principal de la
roue motrice - un moteur électrique refroidi par liquide - donnera également une certaine chaleur. Sur Habré, il existe également des informations très intéressantes sur
les développements intérieurs dans ce sens. À moi seul, je constate simplement qu'avec l'augmentation inévitable de la puissance du moteur, la production de chaleur augmentera également.
Tout ce qui précède peut avoir une autre fonction utile - le diagnostic. Mesurer les paramètres de fonctionnement des composants et des assemblages importants en temps réel équivaut presque à surveiller le fonctionnement du moteur à combustion interne via une série de capteurs sur le moteur, pour des performances maximales du système.De toute évidence, la question se pose - pourquoi avons-nous besoin de refroidissement-chauffage du roulement de roue et des amortisseurs sur une voiture électrique? Pourquoi ces faibles apports de chaleur, même si la voiture électrique a besoin de chaleur?
La réponse est complexe, mais tout à fait logique. À l'heure actuelle, une voiture électrique conventionnelle a une traction par le biais d'un joint à vitesse constante sur une roue. Une option idéale pour un véhicule électrique à l'avenir, de nombreux experts appellent la roue motrice. Avec l'entraînement situé directement dans la roue, il existe des possibilités supplémentaires de récupération et, globalement, la fiabilité du système augmente.
Par analogie avec les vélos et les motos électriques, il est facile de comprendre que le schéma de la roue motrice n'est pas un avenir lointain, mais un présent proche.
En regardant les conclusions
ici , vous pouvez voir comment ils voient l'avenir de ces roues.
Un véritable prototype qui combine les caractéristiques maximales de maniabilité et de dynamique a été présenté en 2008!
Le moteur est ici électrique et refroidi par un fluide, et les
freins sont entièrement électriques ! C'est-à-dire tout est exactement comme je l'ai décrit dans l'article précédent.
Un essai routier d'une voiture avec de telles roues est dans
cet article et plus en détail
ici.Comme vous pouvez le voir, il en résulte que le refroidissement du moteur électrique sera certainement liquide. En raison du grand nombre d'éléments, le système devient complexe et le refroidissement par air conventionnel ne peut tout simplement pas faire face à la puissante génération de chaleur de tous les points de génération de chaleur. L'inconvénient le plus évident ici sera déjà la faible fiabilité de certains éléments, à savoir les freins, les roulements de roue et les amortisseurs. Les charges dans la roue augmenteront et le bilan thermique devra être stabilisé en fonctionnement pour augmenter la durabilité de tous les éléments.
Il y a un autre problème avec les roues motrices - le poids de l'ensemble du kit dans la roue. Cet inconvénient des méthodes de haute technologie n'est que partiellement corrigé. La chose la plus raisonnable ici est de retirer des masses non suspendues du système l'élément le plus "flexible" - les amortisseurs à ressorts. La méthode de "retrait" est le transfert de la roue sur le côté, en utilisant le système de traction de cet élément.
Vous pouvez le faire sur 2CV ...
Mais vous pouvez aimer sur certaines voitures de sport.
Un facteur supplémentaire d'économie de poids de roue est possible lors de l'utilisation de composites.Donc pour le moment, le composite peut être:
Ressorts
Ressorts de suspension en
spirale en fibre de verre (GFRP) .
Depuis 2015, ils sont installés sur la modification de l'Audi A6 Avant ultra avec un moteur diesel de 190 chevaux.
Sous-trame
Sous-châssis composite pour Ford (en cours de test).
Effet de levier
Levier composite "Lift". Une technologie expérimentale qui consiste à remplacer 3 éléments de suspension à la fois (amortisseur, levier, ressorts).
Plateforme de véhicule électrique Williams - Le FX-EXV intègre une technologie de suspension en plastique.
Disques de frein (et dans notre cas, ce serait bien d'appliquer la technologie carbone aux freins à tambour)
Disques de frein "carbone". Le principal inconvénient de ces freins est le besoin de chauffage, et ce problème est parfois même partiellement résolu par le chauffage électrique du disque! Un processus similaire serait beaucoup plus économique dans un tambour.
Disques composites
Roues en plastique Audi. Le prototype de 2007. Testé 250 000 km. (Aluminium non revêtu). Une conception similaire est actuellement testée par VW. La technologie est déjà au stade de la mise en œuvre dans la production de masse.
L'utilisation de technologies composites dans la suspension simplifie la tâche d'installation des roues motrices, mais ne résout pas le problème de chauffage. Refroidissement - le chauffage fluide des roulements, des freins et des amortisseurs augmentera les ressources et, surtout, la fiabilité de tous ces éléments est indépendante des conditions de température externes.
Un tel système de refroidissement-chauffage peut sembler très compliqué à première vue. La chaleur générée par des sources auxiliaires peut être très faible, mais dans la voiture électrique, je vois de grandes opportunités d'économie de chaleur (plus à ce sujet dans les prochains articles).
Par conséquent, ce qui peut ne pas être essentiel pour une voiture avec un moteur à combustion interne, pour une voiture électrique peut donner des économies tangibles.
L'amélioration de la fiabilité de la suspension est très utile pour les voitures fonctionnant en autopartage ou en location à long terme, ainsi que pour les voitures robotisées fonctionnant dans des conditions difficiles.
Moment critique
- Pourquoi compliquer ainsi la suspension?
La complication de la réfrigération est facile à comprendre par analogie dans l'histoire. Au moment du passage de l'air au refroidissement liquide, ICE pensait également que cela ne créerait que des problèmes supplémentaires. À la suite de la transition, quelqu'un rêve-t-il de jeter un radiateur et d'autres parties du système de refroidissement hors de leur moteur? Cela n'existe pas ... mais il y a des avantages à améliorer la fiabilité des pièces refroidies.
Vous pouvez certainement penser pourquoi toutes ces améliorations sont faites pour «l'éternité», et ici je voudrais donner un exemple d'un
Porsche FLA Concept car.
Si vous transférez l'idée aux voitures électriques, la question de la durabilité peut être augmentée d'un facteur. De plus, la solution au problème de l'augmentation de la durée de vie des "consommables", dans le contexte de la durée de vie des composants électriques, semble tout à fait logique.
PS - Grâce à toutes les transformations décrites, une suspension légère avec roues motrices peut être obtenue, en utilisant tout le potentiel thermique des mécanismes en mouvement. Dans ce cas, le niveau de simplicité et de fiabilité de l'entraînement électrique peut être comparé à la durabilité de suspension requise à long terme. Il existe déjà une psychologie pure, à savoir que le désir d'avoir une voiture est encore meilleur et plus durable que le modèle précédent, ainsi qu'un facteur environnemental (plus le mécanisme est utilisé, moins il créera de déchets, et les coûts sont principalement liés à l'élimination des liquides et au remplacement des petites pièces).